Cortex-M3与Aurix的堆栈

谈思实验室 2024-05-29 18:05

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1. 在ARM Cortex-M3架构中，堆栈通常由两个寄存器来管理：主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP）。

1.1. MSP是处理器的默认堆栈指针，用于保存中断处理程序的现场。当芯片复位或发生中断时，处理器会自动将MSP的值保存到堆栈中，并使用一个新的堆栈来保存中断处理程序的现场。MSP的值可以通过专门的寄存器进行读写，以便在需要时进行堆栈切换。

1.2. PSP是用于保存应用程序现场的堆栈指针。在应用程序执行期间，PSP用于保存当前执行线程的现场。当发生中断时，处理器会自动将PSP的值保存到堆栈中，并使用MSP来保存中断处理程序的现场。PSP的值也可以通过专门的寄存器进行读写，以便在需要时进行堆栈切换。

1.3. 其实说白了就是如果你跑的是裸机程序，他用的就是一个堆栈的机制，就是只跑MSP的堆栈。但是如果你要跑操作系统，他就要用到双堆栈机制，比如程序正在顺序执行，突然产生一个中断，处理器把TASK的信息现场保存在PSP栈中，然后进入中断服务程序，中断服务程序中使用MSP栈，退出中断时从PSP栈中还原现场，返回用户程序。还有就是TASK的切换也是在PSP里切的，比如在一个时间片里TASK1没有执行完，他就会把TASK的现场保存在PSP栈中，之后执行TASK2，当TASK2执行完后，在还原PSP栈中TASK1的现场继续执行。

1.4 堆栈是一种用于保存函数调用现场和局部变量的数据结构，它的操作是先进后出（Last-In-First-Out，LIFO）。栈帧（stack frame）是在函数调用期间在堆栈上分配的一块内存区域，用于存储函数的局部变量、参数和返回地址等信息。在函数调用过程中，每个函数都会分配一个新的栈帧，用于保存它的执行上下文。当函数返回时，栈帧被弹出堆栈，释放内存空间，并将控制权返回给调用者。所以说白了栈就是嵌入式RAM的一块连续内存空间，当程序执行时，会将相关数据压入栈中，栈指针会向下移动，分配新的内存空间。当函数执行出栈操作时，栈指针会向上移动，释放内存空间。

2. 上面说的是Cortex-M3内核的指针堆栈寄存器，但是TC397与Cortex-M3不同，他是有5个核，每个核都有自己的堆栈空间，它分为内核堆栈（core stack）和用户堆栈（user stack）和中断堆栈（interrupt stack）。如下图，下图没有说内核堆栈（core stack），是因为（core stack）是用于跑OS的。内核堆栈用于保存操作系统内核的执行上下文，而用户堆栈用于保存应用程序的执行上下文。中断栈（interrupt stack）则是用于保存中断处理程序执行上下文的堆栈空间。上面说的3个堆栈空间，其实就是说在跑操作系统和中断的时候用的是MSP，跑任务，用的用户堆栈，也就是PSP。所谓的内核堆栈和用户堆栈是基于OS的堆栈指针的指向是根据当前处理器所处的模式（特权模式或用户权模式）来确定的。

2.1 在特权模式下，处理器可以访问所有的处理器资源和指令，包括特殊的系统寄存器、中断控制器、内存管理单元等。也就是说，在特权模式下，处理器可以访问用户模式下的堆栈。处理器可以使用PSP指针来访问用户堆栈，并读取或写入用户堆栈上的数据。

2.2 而在用户模式下，处理器只能访问受限的处理器资源和指令。用户模式下，处理器只能访问用户的数据和代码，无法访问系统的关键资源。这样可以确保用户代码不会对系统的稳定性和安全性产生影响。

也就是说内核堆栈是在特权模式下，并且用的MSP，但是他可以方访问PSP。而中断也是在特权模式下的MSP里，可以方访问PSP。用户堆栈就是在非特权模式下只能用的PSP。

2.3 因为中断和异常处理通常需要访问操作系统内核代码和资源，而这些资源只能在特权模式下访问，所以中断堆栈必须位于特权模式下。

2.4 中断堆栈包含了一些重要的信息，如 CPU 寄存器、程序计数器、堆栈指针等，这些信息用于在中断或异常处理完成后恢复原来的执行上下文。

2.5 内核堆栈和用户堆栈用于保存执行上下文，中断堆栈用于保存中断处理程序的执行上下文。

除此之外还有三个寄存器，一个是SP也就是A[10]，一个ISP，还有一个PSW。

A[10]：这个就在GPR中,也称之为SP(Stack Pointer),与传统内核的SP类似.如下图：

ISP：在CSFR中,专用于中断的Stack.进入中断后自动切换使用ISP,以防止对主任务Stack的误操作.

PSW中的IS用于标记当前Stack Pointer状态. PSW.IS==0时,表示Upper Context已经被保存,A10(SP)已经装入ISP的值.当PSW.IS==1时,表示已经使用的ISP的值(比如中断嵌套),此时SP已经是ISP的值,无须再装入ISP的值.

3. 代码中的堆栈

3.1 栈（操作系统）：存局部变量、函数，调用函数时会开辟栈区，函数结束时就自动回收，遵循后进先出的原则，从高地址向低地址增长。

静态内存分配：静态内存是程序编译执行后系统自动分配，由系统自动释放，静态内存是栈分配的，特点：不持久。

使用静态内存分配的变量有：全局变量&静态变量

3.2 堆（操作系统）：malloc、realloc、calloc等开辟的内存就在堆，从低地址向高地址增长，由程序员分配和释放，系统不自动回收，所以一定要记得申请了就要释放，以免溢出。

在嵌入式系统中，使用堆内存相对于栈内存来说是比较少的。嵌入式系统通常拥有有限的内存资源，而使用堆内存可能会导致内存碎片和性能问题。在嵌入式系统中，通常会限制堆内存的大小，并且使用堆内存时需要非常小心，以确保不会出现内存泄漏或者堆溢出等问题。在某些情况下，嵌入式系统需要使用堆内存，例如当需要动态创建对象或者动态分配数组时。在这种情况下，程序员需要小心地管理堆内存，以确保不会出现内存泄漏或者堆溢出等问题。

动态内存分配：动态内存是开发者手动分配的，是堆分配的。特点：持久。

在C语言中，全局变量分配在内存中的静态存储区，非静态的局部变量【动态局部变量】（包括形参）是分配在内存的动态存储区，该存储区被称为栈。除此之外，c语言还允许建立内存动态分配区域，以存放一些临时用的数据，这些数据不必在程序的声明部分定义，也不必等到函数结束时才释放，而是需要时随时开辟，不需要是随时释放。这些数据临时存在一个特别的自由存储区，称为堆区。

4. 如何调试