51單片機(jī)堆棧深入剖析

用C語(yǔ)言進(jìn)行MCS51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)和應(yīng)用的必然趨勢(shì)。Keil公司的C51編譯器支持經(jīng)典8051和8051派生產(chǎn)品的版本，通稱為Cx51。應(yīng)該說(shuō)，Cx51是C語(yǔ)言在MCS51單片機(jī)上的擴(kuò)展，既有C語(yǔ)言的共性，又有它自己的特點(diǎn)。本文介紹的是Cx51程序設(shè)計(jì)時(shí)堆棧的計(jì)算方法。 　　

1.堆棧的溢出問(wèn)題。MCS51系列單片機(jī)將堆棧設(shè)置在片內(nèi)RAM中，由于片內(nèi)RAM資源有限，堆棧區(qū)的范圍也是有限的。堆棧區(qū)留得太大，會(huì)減少其他數(shù)據(jù)的存放空間，留得太少則很容易溢出。所謂堆棧溢出，是指在堆棧區(qū)已經(jīng)滿了的時(shí)候還要進(jìn)行新的壓棧操作，這時(shí)只好將壓棧的內(nèi)容存放到非堆棧區(qū)的特殊功能寄存器（SFR）中或者堆棧外的數(shù)據(jù)區(qū)中。特殊功能寄存器的內(nèi)容影響系統(tǒng)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容又很容易被程序修改，這樣一來(lái)，之后進(jìn)行出棧操作（如子程序返回）時(shí)內(nèi)容已變樣，程序也就亂套了。因此，堆棧區(qū)必須留夠，寧可大一些。要在Cx51程序設(shè)計(jì)中防止堆棧的溢出，要解決兩個(gè)問(wèn)題：第一，精確計(jì)算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小，假設(shè)是M；第二，精確計(jì)算用戶需要堆棧的大小，假設(shè)是N。要求M≥N，下面分別分析這兩個(gè)問(wèn)題。

2.計(jì)算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小Cx51程序設(shè)計(jì)中，因?yàn)閯?dòng)態(tài)局部變量是長(zhǎng)駐內(nèi)存中的，實(shí)際上相當(dāng)于局部靜態(tài)變量，即使在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時(shí)也不釋放空間（這一點(diǎn)不同于標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言）。Cx51編譯器按照用戶的設(shè)置，將所有的變量存放在片內(nèi)和片外的RAM中。片內(nèi)變量分配好空間后，將剩下的空間全部作為堆?？臻g，這個(gè)空間是最大可能的堆棧空間。當(dāng)然，因?yàn)镃x51是一種可以訪問(wèn)寄存器的C語(yǔ)言（特殊功能寄存器），因此可在程序中訪問(wèn)SP，將堆?？臻g設(shè)置得小一點(diǎn)。不過(guò)，一般沒有人這么做。

本文只是討論放在片內(nèi)RAM的變量。我們把變量分為兩種情況：

① 用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)返回值的局部變量。這種變量盡量在寄存器組中存放。為了討論方便，假設(shè)統(tǒng)一用寄存器組0，具體的地址為0x00~0x07。最多可以傳遞3個(gè)參數(shù)，如果參數(shù)的個(gè)數(shù)比較多，就將多余的參數(shù)放到內(nèi)存（0x08以后的地址）中存放。這里，假設(shè)每個(gè)函數(shù)的參數(shù)都不大于3個(gè)。

② 我們?cè)诔绦蛑卸x的全局變量，以及不是用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)返回值的局部變量。以上兩種變量在內(nèi)存中0x08地址以后存放，存放完畢后將堆棧指針SP指向分配了變量的片內(nèi)RAM的最后一個(gè)字節(jié)。因?yàn)镸CS51單片機(jī)的堆棧是一種滿遞增堆棧且堆棧的寬度為8位，所以在需要壓棧操作時(shí)將堆棧指針先加1，后入棧有效內(nèi)容。有了以上規(guī)則，就可以精確地計(jì)算出系統(tǒng)分配給用戶的堆?？臻g。以求兩個(gè)數(shù)的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)的函數(shù)為例，代碼如下：

#include 　

unsigned char max(unsigned char a, unsigned char b); 　　

unsigned char min(unsigned char a, unsigned char b); 　　

unsigned char M; 　

void main (void)

{ 　　

unsigned char n; 　　

M = max(12, 9); 　

　 n = min(12, 9); 　　

} 　

unsigned char max(unsigned char a, unsigned char b)

{ 　　

while(a != b)

{ 　　

if(a > b) 　　

a = a - b; 　　

else

　　b = b - a; 　

}

　　return a; 　

　} 　　

unsigned char min(unsigned char a, unsigned char b)

{ 　

　unsigned char k; 　　

k = ab/M; 　

　return k; 　　

} 　　

這段程序中資源的分配情況如下：一個(gè)全變量M（無(wú)符號(hào)字符型）存放最大公約數(shù)；主函數(shù)中定義一個(gè)局部變量n（無(wú)符號(hào)字符型）存放最小公倍數(shù)；求最大公約數(shù)的函數(shù)unsigned char max(unsigned char a, unsigned char b)，有兩個(gè)參數(shù)a和b；求最小公倍數(shù)的函數(shù)unsigned char min(unsigned char a, unsigned char b)，有兩個(gè)參數(shù)a和b，并且定義了一個(gè)變量k存放函數(shù)的返回值。可以由此計(jì)算出系統(tǒng)分配給變量的空間。函數(shù)的參數(shù)和返回值在工作寄存器組中存放，所以不占用0x08地址以后的空間。系統(tǒng)只給變量M和變量n分配存儲(chǔ)空間，這兩個(gè)變量占兩個(gè)字節(jié)（地址為0x08和0x09），則堆棧指針SP應(yīng)該指向0x09。Cx51系統(tǒng)編譯后生成代碼的系統(tǒng)資源占用情況如下：全局變量M的地址為0x08，n的地址為0x09，SP的值為0x09。這與我們的計(jì)算結(jié)果相符。 　　

3.計(jì)算用戶需要堆棧的大小。堆棧區(qū)到底留多大才算足夠呢？ Cx51程序設(shè)計(jì)中，用戶需要堆棧的大小可以從普通子函數(shù)和中斷子程序的嵌套層數(shù)來(lái)計(jì)算。普通子函數(shù)的調(diào)用比較簡(jiǎn)單，每次調(diào)用時(shí)就是將函數(shù)的返回地址保存在堆棧中，這個(gè)地址占兩個(gè)字節(jié)。函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí)，從最內(nèi)層的子函數(shù)算起，總的堆棧需求字節(jié)數(shù)為嵌套的層數(shù)乘以2。中斷子程序的堆棧需求分為兩種情況：

① 中斷子程序使用中斷發(fā)生前的寄存器組。在中斷發(fā)生時(shí)，保存中斷子程序的返回地址需要2個(gè)字節(jié)。中斷發(fā)生后，在中斷子程序中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行如下操作：將ACC、B、DPH、DPL、PSW、R0~R7共13個(gè)寄存器壓棧。加上中斷返回地址，中斷的堆棧需求為15個(gè)字節(jié)。

② 中斷子程序使用自己專用的寄存器組。這種情況下不需要保存R0~R7的內(nèi)容，可以減少堆棧需求，其他的內(nèi)容仍需要壓棧保護(hù)。中斷發(fā)生時(shí)，保存中斷子程序的返回地址需要2個(gè)字節(jié)。中斷發(fā)生后，在中斷子程序中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行如下操作：將ACC、B、DPH、DPL、PSW共5個(gè)寄存器壓棧。加上、中斷返回地址，這種堆棧的需求為7個(gè)字節(jié)。但是這種情況應(yīng)該注意：如果中斷子程序中調(diào)用子函數(shù)，且函數(shù)需要參數(shù)和返回值，則被調(diào)用的子函數(shù)和中斷子程序要使用相同的寄存器組，否則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的后果。

以一個(gè)溫度測(cè)試系統(tǒng)為例。系統(tǒng)采用8051作為處理器，溫度信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過(guò)外部中斷0提醒單片機(jī)接收處理。定時(shí)中斷0作為監(jiān)控程序，中斷周期為20 ms。溫度信號(hào)可以自動(dòng)測(cè)量（每秒一次）或者手動(dòng)測(cè)量（按測(cè)量鍵后測(cè)量），這兩種測(cè)量方法可以通過(guò)控制鍵切換。中斷子程序和普通子函數(shù)的嵌套情況為：在定時(shí)中斷程序中調(diào)用顯示子程序，外部中斷0內(nèi)部沒有函數(shù)調(diào)用。部分程序如下：

void int0(void) interrupt 0 using 1

{

　　讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；

　　數(shù)據(jù)處理； 　

}

void time0 (void) interrupt 1

{

　 計(jì)數(shù)值重裝； 　　

讀鍵；

按鍵處理；

leddisp(adat);//顯示

}

void main (void)

{

　相關(guān)數(shù)據(jù)初始化和數(shù)碼顯示自檢； 　　

外部中斷和定時(shí)器初始化設(shè)置；

單片機(jī)休眠；

}

void leddisp(unsigned char pt)

{

　用串口工作方式0發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)74LS164轉(zhuǎn)換后靜態(tài)顯示； 　　

}

接下來(lái)分析這段程序的最大堆棧需求。假設(shè)定時(shí)器0中斷時(shí)，調(diào)用了顯示函數(shù)void leddisp(unsigned char pt)，在調(diào)用顯示函數(shù)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)生了外部中斷0的中斷。這時(shí)應(yīng)該是程序?qū)Χ褩５淖畲笮枨螅褩５拇笮∈牵憾〞r(shí)器0（15字節(jié)）＋顯示函數(shù)（2字節(jié)）＋外部中斷0（7字節(jié)）＝24字節(jié)。 　

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)精確的計(jì)算編譯系統(tǒng)分配給用戶的堆?？臻g和用戶自己最大的堆棧需求，不僅能從根本上解決堆棧溢出的問(wèn)題，還可以很好地安排單片機(jī)比較緊張的資源。此外，通過(guò)在片內(nèi)存儲(chǔ)器存放適量局部變量，還可以有效地提高軟件的執(zhí)行速度。