keilc51可重入函數(shù)及模擬棧淺析

　1、關(guān)于可重入函數(shù)（可再入函數(shù)）和模擬堆棧（仿真堆棧）

　　“可重入函數(shù)可以被一個(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)被破壞?？芍厝牒瘮?shù)任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以運(yùn)行，而相應(yīng)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。”（摘自嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II）

　　在理解上述概念之前，必須先說一下keilc51的“覆蓋技術(shù)”。（采用該技術(shù)的原因請看附錄中一網(wǎng)友的解釋）

　　（1）局部變量存儲(chǔ)在全局RAM空間（不考慮擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的情況）；

　?。?）在編譯鏈接時(shí)，即已經(jīng)完成局部變量的定位；

　?。?）如果各函數(shù)之間沒有直接或間接的調(diào)用關(guān)系，則其局部變量空間便可覆蓋。

　　正是由于以上的原因，在Keil C51環(huán)境下，純粹的函數(shù)如果不加處理（如增加一個(gè)模擬棧），是無法重入的。舉個(gè)例子：

　　在上面的代碼中，TaskA與TaskB并不存在直接或間接的調(diào)用關(guān)系，因而它們的局部變量a與b便是可以被互相覆蓋的，即它們可能都被定位于某一個(gè)相同的RAM空間。這樣，當(dāng)TaskA運(yùn)行一段時(shí)間，改變了a后，TaskB取得CPU控制權(quán)并運(yùn)行時(shí)，便可能會(huì)改變b。由于a和b指向相同的RAM空間，導(dǎo)致TaskA重新取得CPU控制權(quán)時(shí)，a的值已經(jīng)改變，從而導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確，反過來亦然。另一方面，func（）與TaskB有直接的調(diào)用關(guān)系，因而其局部變量b與c不會(huì)被互相覆蓋，但也不能保證func的局部變量c不會(huì)與TaskA或其他任務(wù)的局部變量形成可覆蓋關(guān)系。

　　根據(jù)上述分析我們很容易就能夠判斷出TaskA和TaskB這兩個(gè)函數(shù)是不可重入的（當(dāng)然，func也不可重入）。那么如何讓函數(shù)成為可重入函數(shù)呢？C51編譯器采用了一個(gè)擴(kuò)展關(guān)鍵字reentrant作為定義函數(shù)時(shí)的選項(xiàng)，需要將一個(gè)函數(shù)定義為可重入函數(shù)時(shí)，只要在函數(shù)后面加上關(guān)鍵字reentrant即可。

　　與非可重入函數(shù)的參數(shù)傳遞和局部變量的存儲(chǔ)分配方法不同，C51編譯器為可重入函數(shù)生成一個(gè)模擬棧（相對于系統(tǒng)堆?；蚴怯布褩碚f），通過這個(gè)模擬棧來完成參數(shù)傳遞和存放局部變量。模擬棧以全局變量?C_IBP、?C_PBP和？C_XBP作為棧指針（系統(tǒng)堆棧棧頂指針為SP），這些變量定義在DATA地址空間，并且可在文件startup.a51中進(jìn)行初始化。根據(jù)編譯時(shí)采用的存儲(chǔ)器模式，模擬棧區(qū)可位于內(nèi)部（IDATA）或外部（PDATA或XDATA）存儲(chǔ)器中。如表1所示：

表1

　　注意：51系列單片機(jī)的系統(tǒng)堆棧（也叫硬件堆棧或常規(guī)棧）總是位于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中（SP為 8位寄存器，只能指向內(nèi)部），而且是“向上生長”型的（從低地址向高地址），而模擬棧是“向下生長”型的。

　　1、可重入函數(shù)參數(shù)傳遞過程剖析

　　在進(jìn)入剖析之前，先簡單講講c51函數(shù)調(diào)用時(shí)參數(shù)是如何傳遞的。簡單來說，參數(shù)主要是通過寄存器R1~R7來傳遞的，如果在調(diào)用時(shí)，參數(shù)無寄存器可用或是采用了編譯控制指令“NOREGPARMS”，則參數(shù)的傳遞將發(fā)生在固定的存儲(chǔ)器區(qū)域，該存儲(chǔ)器區(qū)域稱為參數(shù)傳遞段，其地址空間取決于編譯時(shí)所選擇的存儲(chǔ)器模式。利用51單片機(jī)的工作寄存器最多傳遞3個(gè)參數(shù)，如表2所示。

表二

 

　　舉兩個(gè)例子：

　　func1（int a）：“a”是第一個(gè)參數(shù)，在R6，R7中傳遞；

　　func2（int b，int c， int *d）：“b”在R6，R7中傳遞，“c”在R4，R5中傳遞，“*d”則在R1，R2，R3中傳遞。

　　至于函數(shù)的返回值通過哪些寄存器或是什么方法傳遞這里就不說了，大家可以看看c51的相關(guān)文檔或是書籍。

　　好了，接下來我們開始剖析一個(gè)簡單的程序，代碼如下：

　　程序很簡單，廢話少說，下面跟我一起看看c51翻譯成的匯編語言是什么樣子的（大存儲(chǔ)模式下large XDATA）。 

   

　　說明：模擬棧指針最初在startup.a51中初始化為0xFFFF+1；由以上匯編代碼可以看出參數(shù)是從右往左掃描的。

　　接下來看看fun的匯編代碼：（很長，大家耐心看吧，有些可以跳過的）

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　　說明：模擬棧結(jié)構(gòu)如下

　　接下來說明兩個(gè)重點(diǎn)子函數(shù)C_ADDXBP和C_XBPOFF

　　終于到尾聲了，最后重點(diǎn)說明啦~~~

 

　　模擬堆棧是向下生長的，C_XBP最初等于0xffff+1，那么請看下面這句

　　其實(shí)是這樣：加0xffff相當(dāng)與減1，加0xfffe相當(dāng)與減2，加0xfffd相當(dāng)于減4。。。。。。為啥，就不用說了吧：）

　　結(jié)束語：

　　經(jīng)過了幾天的研究，終于寫了個(gè)總結(jié)報(bào)告，算是自己的一點(diǎn)小小成就吧，錯(cuò)誤之處在所難免，希望能夠同大家一起討論問題，共同進(jìn)步。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、徐愛鈞，彭秀華 《單片機(jī)高級語言C51windows環(huán)境編程與應(yīng)用》電子工業(yè)出版社 2001

　　2、彭光紅，構(gòu)造一個(gè)51單片機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　附錄：

　　在其它環(huán)境下(比如PC,比如ARM),函數(shù)重入的問題一般不是要特別注意的問題.只要你沒有使用static變量,或者指向static變量的指針,一般情況下,函數(shù)自然而然地就是可重入的.

　　但C51不一樣,如果你不特別設(shè)計(jì)你的函數(shù),它就是不可重入的.

　　引起這個(gè)差別的原因在于:一般的C編譯器(或者更確切點(diǎn)地說:基于一般的處理器上的C編譯器),其函數(shù)的局部變量是存放于堆棧中的,而C51是存放于一個(gè)可覆蓋的(數(shù)據(jù))段中的.

　　至于C51這樣做的原因,不是象有些人說的那樣,為了節(jié)約內(nèi)存.事實(shí)上,這樣做根本節(jié)約不了內(nèi)存.理由如下:

　　1) 如果一個(gè)函數(shù)func1調(diào)用另一個(gè)函數(shù)func2,那么func1,func2的局部變量根本就不能是同一塊內(nèi)存.C51還是要為他們分配不同的RAM.這跟使用堆棧相比,節(jié)約不了內(nèi)存.

　　2) 如果func1,func2不是在一個(gè)調(diào)用鏈上,那么C51可以通過覆蓋分析,讓它們的局部變量共享相同的內(nèi)存地址.但這樣也不會(huì)比使用堆棧節(jié)約內(nèi)存.因?yàn)榧热凰鼈兪窃诓煌恼{(diào)用鏈上,那么當(dāng)其中一個(gè)函數(shù)運(yùn)行時(shí),那么另外一個(gè)函數(shù)必然不在其生命期內(nèi),它所占用的堆棧也已釋放,歸還給系統(tǒng).

　　真實(shí)的原因(C51使用覆蓋段作為局部變量的存放地的原因)是:

　　51的指令系統(tǒng)沒有一個(gè)有效的相對尋址(變址尋址)的指令,這使得使用堆棧作為變量的代價(jià)太過昂貴.

　　使用堆棧存放變量的一般做法是:

　　進(jìn)入函數(shù)時(shí),保留一段堆?？臻g,作為變量的存放空間,用一個(gè)可作為基址尋址的寄存器指向這個(gè)空間,通過加上一個(gè)偏移量,就可以訪問不同的變量了.

　　例如: MOV EAX, [EBP + 14];X86指令

　　LDR R0, [R12, #14];ARM指令

　　都可以很好的解決這個(gè)問題.

　　但51缺少這樣的指令.

　　*其實(shí),51中還是有2個(gè)可變址尋址的指令的,但不適合訪問堆棧的局部變量這樣的場合.

　　MOVC A, @A+DPTR

　　MOVC A, @A+PC

　　所以,C51有個(gè)特別的關(guān)鍵字: reentrant 用來解決函數(shù)重入的問題.