痞子衡嵌入式：ARM Cortex-M内核那些事（6）- 系统堆栈机制

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是ARM Cortex-M堆栈机制。

　　今天给大家分享的这篇依旧是2016年之前痞子衡写的技术文档，花了点时间重新编排了一下格式。前面痞子衡讲过《嵌入式里的堆栈原理》，本篇算是堆栈原理的工程实践，更具体点说是在ARM Cortex-M上的应用。ARM Cortex-M家族发展至今已经很多代，我们且以最简单的Cortex-M0为例来讲述堆栈机制：

1.基本规则

1.1 R13 / sp寄存器

　　R0-R12为通用寄存器，R13为系统堆栈指针sp，堆栈指针是用于访问堆栈，也即系统的RAM区。Cortex-M0中采用了两个堆栈指针：主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP），R13在任何时刻只能是其中一个，默认情况为MSP，可以通过控制寄存器（CONTORL）来改变。

　　MSP是系统复位后（即其处于Handler Mode）的指定sp（vector table的前4Byte自动载入），用于处理异常中断。当结束Reset_Handler后，cpu进入正常运行状态（即其处于Thread Mode），仅在此状态下PSP才能被使用，当然MSP也可以使用。其后如有硬中断来临，则进入Handler Mode，如果硬件中断结束，则返回Thread Mode。

　　关于MSP和PSP的选用，其是通过CONTORL寄存器来配置，仅在Thread Mode下才可设置CONTORL寄存器。一般情况下，没有必要使用PSP，除非是有os存在时，MSP用于os内核的sp，而PSP用于thread级app的sp，这两个sp需严格分开。
　　在编译器中，可以通过r13（R13）或sp（SP）来访问堆栈（具体是MSP和PSP由当时环境决定）；也可以通过指定的MRS、MSR指令来访问MSP和PSP。

1.2栈结构

　　无OS的堆栈结构：

　　有OS的堆栈结构：

1.3栈操作

　　Cortex-M0中堆栈方向是向低地址方向增长，为满堆栈机制。堆栈操作是通过PUSH和POP来完成操作的。

　　栈一般放在ARM的 RAM高位区，如某MCU中RAM地址为0x20000000-0x20007fff，共32KByte。栈大小设为4KByte的话，其地址一般就放在0x20007000-0x20007fff，其中0x20007000为绝对栈顶，0x20007ffc为绝对栈底，sp总是指向相对栈顶。第一个PUSH数据被存在绝对栈底（此时绝对栈底也是相对栈顶）。实际上，除了POP指令可以从栈顶中取数据外；MOV指令也可从任意位置取数据，但不会影响栈结构（即不影响其sp）。
　　由于ARM寄存器均是32bit，故PUSH和POP指令均是32bit访问，故sp指针总是至少4Byte对齐（低2bit永远为0）。有时编译器也会分配8Byte对齐的栈，这是由于double浮点类型需要占用8Byte，为了处理方便，故将栈设为8Byte对齐。

2.入栈顺序

　　入栈顺序因编译器、处理器系统、OS而异，C语言中并没有强制规定入栈顺序，此处主要是讲ARM Cortex-M系列处理器在指定编译器情况下的入栈顺序。

2.1一般函数调用（通用）

　　上图展示了在一般函数（无参无局部变量无返回值）嵌套调用时，关于sp的操作。在执行BL FunctionA指令时，LR记录的是BL FunctionA的下一条顺序指令，在进入FunctionA后执行的第一条操作便是PUSH {LR}即将下一条顺序指令压入栈中，然后才开始执行FunctionA函数体。函数体执行结束之后，使用POP {PC}指令将栈顶数据弹到PC中，即可返回继续执行BL FunctionA的下一条顺序指令。