硬件堆栈和软件堆栈

硬件堆栈和软件堆栈在AVR中的理解
(2010-02-01 18:43:03)
首先是从理论上的东西。

网上转载来的，后面是看AVR代码时得出的一些东西。

硬件堆栈：或许也可以称作系统堆栈，是位于片内RAM区。

有人说，只要能使用PUSH，POP指令的单片机，都可以说含有硬件堆栈。

这样的说法我个人觉得不是很全面。

通过指令进行压栈和出栈操作只是系统堆栈中的一种操做。

系统堆栈还可以被隐含调用。

例如，当调用子程序时，系统会主动把返回地址压入堆栈，并不需要用户通过指令操作。

通常，栈底设在内存的高端，也就是把内存的最高一段空间划作栈区。

这些都是向下生长栈。

栈指针可能是专用的寄存器，也可能借用一通用寄存器。

也有单片机是在数据区里划一块作栈区，可能是向上生长，也可能是向下生长。

硬件堆栈：是通过寄存器SPH，SPL做为索引指针的地址，是调用了CALL，RCALL等函数调用指令后硬件自动填充的堆栈！
软件堆栈：是编译器为了处理一些参数传递而做的堆栈，会由编译器自动产生和处理，可以通过相应的编译选项对其进行编辑。

简单一点说，硬件堆栈主要做为地址堆栈用，而软件堆栈主要会被分配成数据堆栈！
---摘自《AVR单片机C语言开发入门指导》- P169---
ICCAVR 使用两个堆栈：一个用于子程序调用和中断操作的硬件堆栈，一个用于传递参数、临时变量和局部变量的软件堆栈。

可以使用堆栈检测函数检测两个堆栈是否溢出。

单片机在执行调用子程序的指令时，一般会把返回地址自动存入堆栈，而没有被单片机自动入栈但是也需要保存的内容比如状态寄存器、通用寄存器等，就得通过PUSH等指令把它们人为地保存到堆栈中。

自动入栈和“人为入栈”可能使用的是一个堆栈指针。

有的单片机可以分开，比如AVR，可以通过“ST -Y, R0”这样的指令把R0存入软件堆栈区（Y是由R28和R29两个寄存器的值组成的16位指针），有的单片机缺少这样的指令，就会把软件堆栈和硬件堆栈放在一个栈空间，都使用SP，比如51.
看其栈顶指针是否和CPU具有特殊的关联，有关联者（如SP）“硬”，而无关联者“软”。

如果没有硬堆栈，你可以选定一个寄存器作堆栈指针，通过软件实现堆栈操作。

移植μC/OS-II也不一定要硬堆栈。

ARM 就很难说它的堆栈是软的还是硬的。

32位的ARM指令中没有PUSH、POP指令。

ARM习惯上用R13作堆栈指针（SP），但用别的寄存器作堆栈指针也未常不可。

ARM习惯上用LDM/STM（多寄存器加载/存储指令）来操作堆栈，压多少，按什么顺序都能选择。

应该说ARM是软硬结合的堆栈。

C代码（AVR-GCC编译，优化等级-00）:
#include <avr/io.h>
int add(int a,int b)
{
int c;
c=a+b;
return c;
}
int main(void)
{
int a=2,b=3,c=0;
c=add(a,b);
//c=sub(a,b);
}
汇编代码：
（省略一些boot代码）。

00000054 <__ctors_end>:
54: 11 24 eor r1, r1
56: 1f be out 0x3f, r1 ; 63
58: cf e5 ldi r28, 0x5F ; 95 //此处Y指针和SP都指到了SRAM最高端
5a: d4 e0 ldi r29, 0x04 ; 4
5c: de bf out 0x3e, r29 ; 62
5e: cd bf out 0x3d, r28 ; 61。

0000008e <add>:
#include <avr/io.h>
int add(int a,int b)
{
8e: cf 93 push r28
90: df 93 push r29 //保存了Y指针，此时SP已经-2，这里再减2
92: cd b7 in r28, 0x3d ; 61 //重新定位Y指针跟SP一样。

94: de b7 in r29, 0x3e ; 62
96: 26 97 sbiw r28, 0x06 ; 6 //减掉6，即向下开了6字节的区域，存放3变量 98: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
9a: f8 94 cli
9c: de bf out 0x3e, r29 ; 62
9e: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
a0: cd bf out 0x3d, r28 ; 61
a2: 9a 83 std Y+2, r25 ; 0x02
a4: 89 83 std Y+1, r24 ; 0x01
a6: 7c 83 std Y+4, r23 ; 0x04
a8: 6b 83 std Y+3, r22 ; 0x03
int c;
c=a+b;
aa: 29 81 ldd r18, Y+1 ; 0x01
b2: 82 0f add r24, r18
b4: 93 1f adc r25, r19
b6: 9e 83 std Y+6, r25 ; 0x06
b8: 8d 83 std Y+5, r24 ; 0x05
return c;
ba: 8d 81 ldd r24, Y+5 ; 0x05
bc: 9e 81 ldd r25, Y+6 ; 0x06
be: 26 96 adiw r28, 0x06 ; 6 //加了6个字节空间，Y指针恢复到减6之前
c0: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
c2: f8 94 cli
c4: de bf out 0x3e, r29 ; 62
c6: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
c8: cd bf out 0x3d, r28 ; 61
ca: df 91 pop r29
cc: cf 91 pop r28
ce: 08 95 ret //弹出堆栈中2个字节
000000d0 <main>:
}
int main(void)
{
d0: c9 e5 ldi r28, 0x59 ; 89 //这4句给SP和Y指针重新赋值了，很明显的在SP的 d2: d4 e0 ldi r29, 0x04 ; 4 //上面还有6个字节（SRAM最大到045E）,这6个字节 d4: de bf out 0x3e, r29 ; 62 //被存放了a,b,c三个变量（可以与上面理论对应）
d6: cd bf out 0x3d, r28 ; 61 //通过Y指针来保存了这三个变量到这个区域
int a=2,b=3,c=0;
d8: 82 e0 ldi r24, 0x02 ; 2
da: 90 e0 ldi r25, 0x00 ; 0
dc: 9a 83 std Y+2, r25 ; 0x02
de: 89 83 std Y+1, r24 ; 0x01
e0: 83 e0 ldi r24, 0x03 ; 3
e2: 90 e0 ldi r25, 0x00 ; 0
e4: 9c 83 std Y+4, r25 ; 0x04
e6: 8b 83 std Y+3, r24 ; 0x03
e8: 1e 82 std Y+6, r1 ; 0x06
ea: 1d 82 std Y+5, r1 ; 0x05
c=add(a,b);
f2: 9a 81 ldd r25, Y+2 ; 0x02
f4: 0e 94 47 00 call 0x8e <add> //使用call时自动将PC+2的地址压到堆栈
f8: 9e 83 std Y+6, r25 ; 0x06
fa: 8d 83 std Y+5, r24 ; 0x05
//c=sub(a,b);
}
fc: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
fe: 90 e0 ldi r25, 0x00 ; 0
100: 0c 94 82 00 jmp 0x104 <_exit>
00000104 <_exit>:
104: ff cf rjmp .-2 ; 0x104 <_exit>
r28和r29一起组成SP指针，Y指针可以作为间接寻址，很明显的刚开始的时候Y指针和SP都在045F这里，后来在高处开了6个字节的空间来存放临时变量，所以Y指针成了这个软件堆栈的栈顶，在这个过程中都是使用Y 和SP的配合来实现变量和数据的改变，以及恢复，硬件堆栈和软件堆栈在这里已经不怎么区分了。

不清楚流程可以画个图来加深理解，好了，看了那么久，总算有点感觉了。