RISC-V MCU堆栈机制

1、什么是堆栈？

在嵌入式的世界里，堆栈通常指的是栈，严格来说，堆栈分为堆(Heap)和栈(Stack)。

栈(Stack): 一种顺序数据结构，满足后进先出（Last-In / First-Out）的原则，由编译器自动分配和释放。使用一级缓存，调用完立即释放。
堆(Heap)：类似于链表结构，可对任意位置进行操作，通常由程序员手动分配，使用完需及时释放(free)，不然容易造成内存泄漏。使用二级缓存。

2、堆栈的作用

函数调用时，如果函数参数和局部变量很多，寄存器放不下，需要开辟栈空间存储。
中断发生时，栈空间用于存放当前执行程序的现场数据（下一条指令地址、各种缓存数据），以便中断结束后恢复现场。

3、堆栈大小定义

RISC-V MCU的堆栈大小通常在ld链接脚本中定义，关于ld链接脚本可查看该文：RISC-V MCU ld链接脚本说明。

 1 ENTRY( _start ) /* 入口地址 */ 
 2  
 3 __stack_size = 2048; /* 定义栈大小 */
 4 PROVIDE( _stack_size = __stack_size );/* 定义_stack_size符号，类似于全局变量 */
 5  
 6 MEMORY
 7 {
 8     FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000 , LENGTH = 0x10000
 9     RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000 , LENGTH = 0x5000
10 }
11 /* 
12 ...
13 中间省略 
14 ...
15 */
16  
17 .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :  /* 分配栈空间0x20004800 ~ 0x20005000，共2KB */
18 {
19     . = ALIGN(4);
20     PROVIDE(_susrstack = . );
21     . = . + __stack_size;
22     PROVIDE( _eusrstack = .);
23 } >RAM

以RISC-V MCU CH32V103为例，在其ld链接脚本中，定义了_stack_size符号，值为 2048 Byte，后面使用该值在.stack段中分配栈空间，可更改此值调整栈空间大小。

CH32V103 的RAM共20KB，除去程序用到的data、bss段，剩下空间即为动态数据段，供堆栈的动态使用。

ld链接脚本中，没有明确定义heap堆的大小，按照其定义，动态数据段，除了stack占用的，剩下的都可用于heap，通过malloc进行动态管理。

4、压栈出栈过程

以CH32V103 printf函数调用为例，其反汇编代码如下：

 1 000007a4 <iprintf>:
 2      7a4:    7139                    addi  sp,sp,-64         # 调整堆栈指针sp，分配64字节的栈空间
 3      7a6:    da3e                    sw    a5,52(sp)       # 压栈，保存a5寄存器的值
 4      7a8:    d22e                    sw    a1,36(sp)       # 压栈，按需保存相应的寄存器
 5      7aa:    d432                    sw    a2,40(sp)
 6      7ac:    d636                    sw    a3,44(sp)
 7      7ae:    d83a                    sw    a4,48(sp)
 8      7b0:    dc42                    sw    a6,56(sp)
 9      7b2:    de46                    sw    a7,60(sp)
10      7b4:    80818793              addi    a5,gp,-2040 # 20000078 <_impure_ptr>
11      7b8:    cc22                    sw    s0,24(sp)       # 压栈，保存帧指针fp(s0)
12      7ba:    4380                    lw    s0,0(a5)
13      7bc:    ca26                    sw    s1,20(sp)
14      7be:    ce06                    sw    ra,28(sp)       # 压栈，保存返回地址(ra寄存器)
15      7c0:    84aa                    mv    s1,a0
16      7c2:    c409                    beqz    s0,7cc <iprintf+0x28>
17      7c4:    4c1c                    lw    a5,24(s0)
18      7c6:    e399                    bnez    a5,7cc <iprintf+0x28>
19      7c8:    8522                    mv    a0,s0
20      7ca:    2315                    jal    cee <__sinit>
21      7cc:    440c                    lw    a1,8(s0)
22      7ce:    1054                    addi    a3,sp,36
23      7d0:    8626                    mv    a2,s1
24      7d2:    8522                    mv    a0,s0
25      7d4:    c636                    sw    a3,12(sp)
26      7d6:    167000ef              jal    ra,113c <_vfiprintf_r>
27      7da:    40f2                    lw    ra,28(sp)      # 出栈，恢复返回地址(ra寄存器)
28      7dc:    4462                    lw    s0,24(sp)      # 出栈，恢复帧指针fp(s0)
29      7de:    44d2                    lw    s1,20(sp)      # 出栈，按需恢复相应的寄存器
30      7e0:    6121                    addi    sp,sp,64       # 释放栈空间
31      7e2:    8082                    ret                    # 函数返回，根据ra寄存器地址返回

5、malloc使用注意事项

CH32V103默认工程中，heap只有起始地址，没有结束地址约束，这样最终会导致malloc永远都不会返回NULL。

如果使用malloc时，需进行如下操作：

重写_sbrk函数，代码如下，放在工程任意位置，推荐放在debug.c 文件中。

_sbrk代码原型：https://github.com/riscv/riscv-newlib/blob/riscv-newlib-3.1.0/libgloss/libnosys/sbrk.c

 1 void *_sbrk(ptrdiff_t incr)
 2 {
 3     extern char _end[];
 4     extern char _heap_end[];
 5     static char *curbrk = _end;
 6  
 7     if ((curbrk + incr < _end) || (curbrk + incr > _heap_end))
 8     return NULL - 1;
 9  
10     curbrk += incr;
11     return curbrk - incr;
12 }

修改ld链接脚本，定义heap大小

默认RAM中除去data、bss、stack等剩余的都为heap空间

增加PROVIDE( _heap_end = . ); 定义，位置如下：

 1       PROVIDE( _end = _ebss);
 2       PROVIDE( end = . );  /* 定义heap起始位置 */
 3     
 4       .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
 5         {
 6              PROVIDE( _heap_end = . );   /* 定义heap结束位置，默认到栈底结束 */ 
 7         
 8             . = ALIGN(4);
 9             PROVIDE(_susrstack = . );
10             /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
11             . = . + __stack_size;
12             PROVIDE( _eusrstack = .);
13         } >RAM

指定heap大小的修改方式如下：

增加 PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); 定义，位置如下：

 1   PROVIDE( _end = _ebss);
 2   PROVIDE( end = . );  /* 定义heap起始位置 */
 3   PROVIDE( _heap_end = . + 0x400);   /* 定义heap结束位置，长度为1KB */ 
 4  
 5   .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
 6     {
 7         . = ALIGN(4);
 8         PROVIDE(_susrstack = . );
 9         /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
10         . = . + __stack_size;
11         PROVIDE( _eusrstack = .);
12     } >RAM