一個(gè)故事看懂單片機(jī)中的堆棧

時(shí)間：2020-09-14 17:40:34

關(guān)鍵字：單片機(jī) CPU

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[導(dǎo)讀]因?yàn)閱纹瑱C(jī)有CPU、存儲(chǔ)器、IO等等，使他（人性化一點(diǎn)以配合下文）看起來就像一個(gè)比較小的計(jì)算機(jī)，所以在理解單片機(jī)的時(shí)候，如果能把你之前有的那些也許僅僅是直覺上的對(duì)計(jì)算機(jī)的理解融入進(jìn)來的話，可能會(huì)對(duì)你學(xué)習(xí)單片機(jī)的概念有極大的幫助，至少對(duì)于我是這樣的。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)有CPU、存儲(chǔ)器、IO等等，使他（人性化一點(diǎn)以配合下文）看起來就像一個(gè)比較小的計(jì)算機(jī)，所以，在理解單片機(jī)的時(shí)候如果能把你之前有的那些也許僅僅是直覺上的對(duì)計(jì)算機(jī)的理解融入進(jìn)來的話，可能會(huì)對(duì)你學(xué)習(xí)單片機(jī)的概念有極大的幫助，至少對(duì)于我是這樣的。

我想在關(guān)于單片機(jī)的眾多讓你頭暈?zāi)X脹、摸不著頭腦甚至想撞墻的概念里面，“堆?！笨赡苁瞧渲凶羁蓯旱囊粋€(gè)，因?yàn)榧词箚螁问菑臐h語的角度來理解這個(gè)詞就已經(jīng)讓你很暈了，其實(shí)我最初也想不通這是哪位大俠的創(chuàng)意，不過不用擔(dān)心，這里我們完全不去討論關(guān)于這個(gè)詞的問題（這個(gè)詞用得其實(shí)很好“堆”和“棧”都有他們各自的意思，準(zhǔn)確的概括了這個(gè)區(qū)域的功能，有興趣可以Baidu一下），這里我會(huì)打一個(gè)比較有趣的比方，以此來繞過那些令你想撞墻的概念，并使你在直覺上對(duì)“堆?！边@個(gè)概念有一個(gè)深刻的理解。

你基本上應(yīng)該清楚，單片機(jī)里面是有存儲(chǔ)區(qū)和CPU的，如果你不清楚，那么我剛剛告訴你了，請(qǐng)記住。現(xiàn)在，請(qǐng)你把單片中的CPU想成一個(gè)人（你完全可以把他想成是你宿舍的那個(gè)天天和你吵嘴的同學(xué)，一會(huì)你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這會(huì)非常有趣），在這里就叫他C哥吧，不過這個(gè)人不同于常人，有一些特點(diǎn)，一會(huì)我們會(huì)慢慢說清楚，現(xiàn)在要告訴你的關(guān)于這個(gè)人的第一個(gè)特點(diǎn)是：他的記憶能力很差。下面，請(qǐng)你把存儲(chǔ)區(qū)想象成一個(gè)一個(gè)排好的小盒子，這些盒子的作用大致可以分成兩類：1、保存寫有你命令的紙條，比如你在某個(gè)盒子里面的紙條上寫著：去洗我的襪子?。?、保存你的一些東西，比如你那雙正在污染宿舍空氣的臭襪子。因?yàn)镃哥是一個(gè)記憶力不怎么好的人，所以，這些盒子都有自己的編號(hào)，以方便他查找。

那么，現(xiàn)在，我們可以來說明一下單片機(jī)是如何工作的了。首先，你要把所有的命令還有需要處理的東西放進(jìn)那些小盒子，比如剛才提到的你那雙待洗的襪子還有那張紙條，這時(shí)你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)C哥另一個(gè)特點(diǎn)：笨——他只會(huì)做你明確告訴他的事情，也就是說，如果你沒有在紙條上寫“去洗我的襪子！”，那么C哥極有可能會(huì)無動(dòng)于衷地看著你的襪子直到他被熏暈倒，當(dāng)然，更可能的情況是他根本找不到你的襪子…好了，當(dāng)你把要做的事情和該怎么做寫到盒子里之后，下面的任務(wù)就交給C哥了。C哥做事真的很講原則，他會(huì)按照你給定的順序或者——如果你沒有給定的話，根據(jù)盒子上面的編號(hào)按照從小到大的順序——一個(gè)一個(gè)地打開盒子，讀取里面的命令、處理相應(yīng)的事件，直到所有的事情都執(zhí)行完畢，他就會(huì)休息。請(qǐng)你牢記這個(gè)簡單而有趣的過程，因?yàn)槠鋵?shí)單片機(jī)就是這樣工作的，當(dāng)然，這里忽略了許多細(xì)節(jié)，但是這對(duì)你從直覺上理解單片機(jī)的概念以及足夠了。

下面，就要開始說明堆棧這個(gè)概念了，思來想去，還是覺得如果直接把“堆?！边@個(gè)詞用到文中來，實(shí)在不符合本文的風(fēng)格，考慮到其實(shí)“堆棧”也是存貯區(qū)（這一點(diǎn)你要記住，堆棧并不是一個(gè)像專用寄存器那樣專門的一個(gè)區(qū)域，它是由你在通用RAM區(qū)指定的。），按照本文的說法也就是一些盒子，所以，現(xiàn)在我們把“堆棧”改名叫“記憶盒子”，你可以感覺到，“堆?！钡淖饔煤陀洃浻袠O大的關(guān)系，不過你也不用在這里糾結(jié)這個(gè)名字的由來，下面我會(huì)說的。

現(xiàn)在，請(qǐng)注意，我要開始解釋“記憶盒子”了，也就是“堆棧”。大致上說，“記憶盒子”的作用是當(dāng)C哥執(zhí)行某任務(wù)到一半的時(shí)候突然有了更緊急的是事情要執(zhí)行的時(shí)候用來保存當(dāng)前任務(wù)的（包括盒子的編號(hào)和盒子里面的東西）。這么說你肯定暈了，其實(shí)，通俗一點(diǎn)，就是當(dāng)C哥洗襪子洗到一半的時(shí)候突然接到你的命令要去打開另一個(gè)盒子（那個(gè)盒子里的紙條上可能寫著“給我換尿布”）并執(zhí)行里面的命令，因?yàn)镃哥記憶力很差，以至于他做完那件緊急的事情后記不起要回到哪個(gè)盒子來繼續(xù)執(zhí)行“洗襪子”這個(gè)命令，這時(shí)候，他要把現(xiàn)在手頭的東西保存到“記憶盒子”里，要保存的東西有：1、放著紙條和襪子的盒子的編號(hào)（注意這里其實(shí)是兩項(xiàng)內(nèi)容）；2、那雙襪子。這樣，當(dāng)他執(zhí)行完緊急任務(wù)后會(huì)去記憶盒子里，從里面找到兩張紙條，和一雙襪子（這個(gè)時(shí)候C哥還是沒有想起來他要洗襪子，他必須要到那張寫著洗襪子命令的紙條），他按照兩張紙條的信息知道自己要去哪個(gè)盒子去洗襪子，并在那里繼續(xù)完成洗襪子的任務(wù)。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這一段的解釋里面有一個(gè)重要的漏洞，那就是在C哥執(zhí)行完緊急任務(wù)后他是如何知道儲(chǔ)存著原來的任務(wù)信息的盒子的編號(hào)是存儲(chǔ)在哪個(gè)“記憶盒子”里呢？別著急，下面我會(huì)解釋的。

從本質(zhì)來說，“記憶盒子”與普通的盒子是沒有區(qū)別的，他們都是單片機(jī)里面的存儲(chǔ)單元，證明這一點(diǎn)的最好證據(jù)就是堆棧是需要你來指定的，也就是說，你要預(yù)先把一些盒子指定為“記憶盒子”。下面，說明一下是如何指定“記憶盒子”的。其實(shí)這個(gè)過程很簡單，在單片機(jī)的專用寄存器里面有一個(gè)SP指針（81H），這個(gè)指針里面記錄著堆棧的開始處的地址。用符合本文的話來解釋就是，C哥的衣服上有一個(gè)口袋（也就是SP指針），這個(gè)口袋里面的“神奇紙條”上記錄著第一個(gè)“記憶盒子”的編號(hào)，而指定“記憶盒子”的過程就是你在這張“神奇紙條”上寫上一個(gè)盒子的編號(hào)（作為第一個(gè)“記憶盒子”的編號(hào)），這個(gè)紙條會(huì)自動(dòng)地將紙條上的編號(hào)加1或者減1，所以，某個(gè)目前并不確定的區(qū)域內(nèi)盒子具備了成為“記憶盒子”的可能，注意，堆棧的大小是不能規(guī)定的，這就是為什么用“生長”這個(gè)詞來形容堆棧。

現(xiàn)在，關(guān)于堆棧的概念基本上都介紹完了，但是，我知道，你可能還是很暈，甚至比看之前還暈，那是因?yàn)閯偛艛⑹龅倪@個(gè)過程是分開的，而且邏輯上并不是順序的，下面，順序的說一下，相信你馬上就明白了。

主角仍然是傻傻笨笨但任勞任怨的C哥，他一個(gè)一個(gè)的打開盒子按照里面的紙條上的說明執(zhí)行你規(guī)定的任務(wù)。而你，為了防止他在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí)犯傻，把一個(gè)盒子指定為“記憶盒子”，并把這個(gè)“記憶盒子”的位置寫在了一張 “神奇紙條”上放在了C哥的口袋里?，F(xiàn)在，C哥正在洗你的襪子，這個(gè)時(shí)候，他突然接到你的命令要去給你換尿布，而C哥知道自己很笨，所以他自動(dòng)地掏出了口袋里的紙條，找到了第一個(gè)“記憶盒子”，然后拿出一張空白紙條，把裝著“給我洗襪子”那張紙條的盒子的編號(hào)寫在了上面并放進(jìn)“記憶盒子”。然后，他把“神奇紙條”放回了口袋里。當(dāng)這個(gè)任務(wù)完成后“神奇紙條”會(huì)自動(dòng)將寫在它上面的編號(hào)加1，也就是將一個(gè)新的、空的“記憶盒子”的編號(hào)寫在上面。之后，他會(huì)按照剛才的過程把裝著襪子的那個(gè)盒子的編號(hào)以及襪子本身分別放進(jìn)不同的記憶盒子（現(xiàn)在已經(jīng)有三個(gè)盒子成為“記憶盒子”，堆棧已經(jīng)長大了，紅色下劃線的字體就是這三個(gè)盒子里的內(nèi)容，注意是有先后順序的）。再然后，他就去給你換尿布了…

現(xiàn)在，尿布換完了，不過，果不其然，C哥完全忘記了他要給你洗襪子這件事情了，不過，他記得一件事，那就是看口袋里的紙條。于是，他摸出了口袋里的紙條，上面當(dāng)然是一個(gè)“記憶盒子”的編號(hào)，他按照編號(hào)找到了第一個(gè)“記憶盒子”（按照上一段的順序應(yīng)該是第三個(gè)“記憶盒子”），里面應(yīng)該是一雙你的襪子，于是他拿到了你的襪子。但是，他還是不知道該干什么，于是他再次摸出了“神奇紙條”，這時(shí)，紙條上的編號(hào)已經(jīng)自動(dòng)減1了，于是，他找到了新的“記憶盒子”，里面的紙條上記錄著襪子本來放置的盒子的編號(hào)，于是，他把襪子放到了那個(gè)盒子里。恩，你可以想到，現(xiàn)在C哥還是不知道要對(duì)襪子做些什么，他耐心的又一次摸出了那張“神奇紙條”，這次按照上面的編號(hào)，他找到了一張紙條，上面寫著的仍然是一個(gè)盒子的編號(hào)。C哥按照編號(hào)找到了那個(gè)盒子，發(fā)現(xiàn)那個(gè)盒子里的紙條上寫著“給我洗襪子！”…至此，C哥又回到了原來的任務(wù)——洗襪子。

現(xiàn)在，我希望你已經(jīng)明白了，堆棧其實(shí)就是你指定的一個(gè)些存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元被指定只用來保存一些特殊信息，比如地址（保護(hù)斷點(diǎn)）或者一些數(shù)據(jù)（保護(hù)現(xiàn)場），如果你一定要說這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)有什么特別的話，那就是：1、這些存儲(chǔ)單元內(nèi)的內(nèi)容都是CPU在執(zhí)行某任務(wù)中途被打斷時(shí)的一些相關(guān)參數(shù)；2、這些存儲(chǔ)單元的地址被記在了一個(gè)叫堆棧指針的地方，也就是C哥口袋里的那張紙條上！

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來源：單片機(jī)與嵌入式

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