RISC-V MCU 堆栈机制
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。
ENTRY( _start ) /* 入口地址 */
__stack_size = 2048; /* 定义栈大小 */
PROVIDE( _stack_size = __stack_size );/* 定义_stack_size符号，类似于全局变量 */
MEMORY
{
FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000 , LENGTH = 0x10000
RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000 , LENGTH = 0x5000
}
/*
...
中间省略
...
*/
.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size : /* 分配栈空间0x20004800 ~ 0x20005000，共2KB */
{
. = ALIGN(4);
PROVIDE(_susrstack = . );
. = . + __stack_size;
PROVIDE( _eusrstack = .);
} >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：
000007a4 <iprintf>:
7a4: 7139 addi sp,sp,-64 # 调整堆栈指针sp，分配64字节的栈空间
7a6: da3e sw a5,52(sp) # 压栈，保存a5寄存器的值
7a8: d22e sw a1,36(sp) # 压栈，按需保存相应的寄存器
7aa: d432 sw a2,40(sp)
7ac: d636 sw a3,44(sp)
7ae: d83a sw a4,48(sp)
7b0: dc42 sw a6,56(sp)
7b2: de46 sw a7,60(sp)
7b4: 80818793 addi a5,gp,-2040 # 20000078 <_impure_ptr>
7b8: cc22 sw s0,24(sp) # 压栈，保存帧指针fp(s0)
7ba: 4380 lw s0,0(a5)
7bc: ca26 sw s1,20(sp)
7be: ce06 sw ra,28(sp) # 压栈，保存返回地址(ra寄存器)
7c0: 84aa mv s1,a0
7c2: c409 beqz s0,7cc <iprintf+0x28>
7c4: 4c1c lw a5,24(s0)
7c6: e399 bnez a5,7cc <iprintf+0x28>
7c8: 8522 mv a0,s0
7ca: 2315 jal cee <__sinit>
7cc: 440c lw a1,8(s0)
7ce: 1054 addi a3,sp,36
7d0: 8626 mv a2,s1
7d2: 8522 mv a0,s0
7d4: c636 sw a3,12(sp)
7d6: 167000ef jal ra,113c <_vfiprintf_r>
7da: 40f2 lw ra,28(sp) # 出栈，恢复返回地址(ra寄存器)
7dc: 4462 lw s0,24(sp) # 出栈，恢复帧指针fp(s0)
7de: 44d2 lw s1,20(sp) # 出栈，按需恢复相应的寄存器
7e0: 6121 addi sp,sp,64 # 释放栈空间
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
void *_sbrk(ptrdiff_t incr) { extern char _end[]; extern char _heap_end[]; static char *curbrk = _end; if ((curbrk + incr < _end) || (curbrk + incr > _heap_end)) return NULL - 1; curbrk += incr; return curbrk - incr; } -
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：
PROVIDE( _end = _ebss); PROVIDE( end = . ); /* 定义heap起始位置 */ .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size : { PROVIDE( _heap_end = . ); /* 定义heap结束位置，默认到栈底结束 */ . = ALIGN(4); PROVIDE(_susrstack = . ); /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/ . = . + __stack_size; PROVIDE( _eusrstack = .); } >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：
PROVIDE( _end = _ebss); PROVIDE( end = . ); /* 定义heap起始位置 */ PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); /* 定义heap结束位置，长度为1KB */ .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size : { . = ALIGN(4); PROVIDE(_susrstack = . ); /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/ . = . + __stack_size; PROVIDE( _eusrstack = .); } >RAM -
参考:
https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain/issues/571
https://github.com/lowRISC/ibex/issues/1415
posted on 2021-08-19 22:58 Wahahahehehe 阅读(3961) 评论(0) 编辑 收藏 举报
