ARM Cortex-M 的 SP

在嵌入式开发中，堆栈是一个很基础，同时也是非常重要的名词，堆栈可分为堆 (Heap) 和栈 (Stack) 。

• 栈(Stack): 一种顺序数据结构，满足后进先出（Last-In / First-Out）的原则，由编译器自动分配和释放。
• 堆(Heap)：类似于链表结构，可对任意位置进行操作，通常由程序员手动分配，使用完需及时释放(free)，不然容易造成内存泄漏。

1、栈

SP：stack pointer 栈指针，总是指向栈顶。

计算机中的堆栈主要用来保存临时数据、局部变量、存寄存器参数和中断/调用子程序程序的返回地址。

裸机中，SP 指向在系统启动文件中被设置为一个被预留大小的内存块顶部，每次调用函数，把需要的临时变化放入栈中，函数退出后，恢复为调用之前的值。

栈的作用：

1. 保存现场
2. 传递参数：汇编代码调用C函数时，需传递参数
3. 保存临时变量：包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量

2、栈操作

Cortex-M 中堆栈方向是向低地址方向增长，为满堆栈机制。栈一般放在 .bss 段之后

C语言会自动入栈出栈，所以程序员不需要关心这些（在汇编的时候加入）。汇编语言需要手工处理入栈出栈。

3、Cortex-M中的栈

在 ARM Cortex-M 中 SP 是通用寄存器，为 R13 寄存器

在 Corte-M 中采用双栈设计，分为 MSP 和 PSP。

MSP 和 PSP 的含义是 Main_Stack_Pointer 和 Process_Stack_Pointer，在逻辑地址上他们都是 R13。

权威手册上说的很清楚 PSP 主要是在 Handler 的模式下使用，MSP 主要在线程模式下使用（当然你在线程模式下也可以调用PSP，需要你做特殊的处理）

这意味着同一个逻辑地址，实际上有两个物理寄存器，一个为 MSP，一个为 PSP，在不同的工作模式调用不同的物理寄存器。在任何一个时刻只能使用一个堆栈指针，要么使用 MSP，要么使用 PSP。

• MSP：主堆栈指针，当程序复位后（开始运行后），一直到第一次任务切换完成前，使用的都是 MSP，即：main() 函数运行时用的是 MSP。

• PSP：进程堆栈指针，切换任务之后 PendSV 服务程序中有 ORR LR, LR, #0x04 这句，意思就是 PendSV 中断返回后使用的 PSP 指针，此时 PSP 已经指向了所运行任务的堆栈，所以返回后就可以就接着该任务继续运行下去了。

裸机中只会用到 MSP，当 main() 函数开始运行前，启动文件会给这个函数分配一个堆栈空间，用于保存 main() 函数运行过程中变量的保存。此时MSP就指向了该堆栈的首地址。

4、MDK中的SP操作流程

以 STM32F103C8T6 为例分析在 MDK 中 SP 相关的运行流程。其中 STM32F103C8T6 内存为 20K(0x5000)，地址：0x20000000 ~ 0x20005000。

STM32 中的启动文件 startup_stm32f10x_md.s 文件与 SP 相关部分代码：

; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
; Tailor this value to your application needs
;  Stack Configuration
;    Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; 

Stack_Size      EQU     0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp


;  Heap Configuration
;     Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; 

Heap_Size       EQU     0x00000200

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit
					
                PRESERVE8
                THUMB


; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

                ; External Interrupts
                DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
                DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
                DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
                DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
                DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
                DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
                DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line 0
                DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line 1
                DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line 2
                DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line 3
                DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line 4
                DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1
                DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2
                DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3
                DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4
                DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5
                DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6
                DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7
                DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1_2
                DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX
                DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0
                DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
                DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
                DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line 9..5
                DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
                DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
                DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
                DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 Capture Compare
                DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
                DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
                DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
                DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
                DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
                DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
                DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
                DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
                DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
                DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
                DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
                DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
                DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line 15..10
                DCD     RTCAlarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
                DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
__Vectors_End

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors

                AREA    |.text|, CODE, READONLY

;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization
;*******************************************************************************
                IF      :DEF:__MICROLIB           
                
                 EXPORT  __initial_sp
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit
                
                 ELSE
                
                 IMPORT  __use_two_region_memory
                 EXPORT  __user_initial_stackheap

__user_initial_stackheap

                LDR     R0, =  Heap_Mem
                LDR     R1, =(Stack_Mem + USR_Stack_Size)
                LDR     R2, = (Heap_Mem +      Heap_Size)
                LDR     R3, = Stack_Mem
                BX      LR

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1. __initial_sp：指向栈顶，在运行后会赋值给 MSP。Stack_Size：栈大小，当前分配为 0x400。
2. __heap_base：堆开始地址；__heap_limit：堆结束地址；Heap_Size：堆大小，当前分配为 0x200。
3. __Vectors：中断向量表入口地址，__Vectors_End：中断向量表结束地址；__Vectors_Size：中断向量表大小。

Cortex-M 采用矢量中断模式，中断向量表首地址放的是栈顶地址（__initial_sp）。

4. 堆/栈初始化：导出相关变量。MDK 中，是否使用 Micro-LIB，对栈地址影响很大，下面重点讲一下。

5、Micro-Lib的SP差别

1. 使用 Micro-Lib

使用 EXPORT 伪指令分别导出 __initial_sp、__heap_base、__heap_limit，在 __main 中会处理完后跳转到 C 语言的 main() 函数。

• 查看 MAP 文件可以得到相关的地址信息：

__initial_sp                             0x20000408   Data           0  startup_stm32f10x_md.o(STACK)


Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x08001b78, Size: 0x00000408, Max: 0x00005000, ABSOLUTE)

Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

0x20000000   0x08001b78   0x00000004   Data   RW          212    .data               main_gc9a01.o
0x20000004   0x08001b7c   0x00000004   Data   RW         3332    .data               mc_w.l(errno.o)
0x20000008        -       0x00000400   Zero   RW          186    STACK               startup_stm32f10x_md.o

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注：查看上面的 MAP 文件，在使用 Micro-LIB 模式下，heap 其实是没有被分配的。

• 通过 SWD 连接芯片，查看 SP 地址

在 startup_stm32f10x_md.s 中 Reset_Handler 中第一句话，SP=0x20000408；进入 main 之后，SP=0x200003F0；进入子函数后：SP=0x200003E8。MSP 与 SP 地址一样。

• 在 main() 中通过代码打印获取以上变量

extern uint32_t __Vectors_End;
extern uint32_t __Vectors;
extern uint32_t __Vectors_Size;

printf("__Vectors: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors);
printf("__Vectors_End: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors_End);
printf("__Vectors_Size: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors_Size);

extern uint32_t __initial_sp;
printf("__initial_sp: %08x\r\n", (uint32_t)&__initial_sp);
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运行结果：

__Vectors: 0x08000000
__Vectors_End: 0x080000EC
__Vectors_Size: 0x000000EC          # 59 * 4 = 0xec
__initial_sp: 0x20000408
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__Vectors 的值与 __initial_sp 的值一致。

2. 未使用 Micro-Lib

• 使用 IMPORT 伪指令导入 __use_two_region_memory，该函数需要用户实现。

• 使用 EXPORT 伪指令导出 __user_initial_stackheap，该函数 startup_stm32f10x_md.s 中已经实现，用于提供编译器的初始化C库函数设置用户程序的堆栈所需要的堆栈信息。

    LDR     R0, =  Heap_Mem                 ;堆顶
    LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)   ;栈顶
    LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)   ;堆末地址
    LDR     R3, = Stack_Mem                 ;栈首地址
    BX      LR                              ;等同于mov pc, lr，跳转并切换指令集，也就是切换到ARM指令集

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• 查看 MAP 文件可以得到相关的地址信息：

Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x08002330, Size: 0x00000668, Max: 0x00005000, ABSOLUTE)

Exec Addr    Load Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

0x20000000   0x08002330   0x00000004   Data   RW          212    .data               main_gc9a01.o
0x20000004        -       0x00000060   Zero   RW         3383    .bss                c_w.l(libspace.o)
0x20000064   0x08002334   0x00000004   PAD
0x20000068        -       0x00000200   Zero   RW          187    HEAP                startup_stm32f10x_md.o
0x20000268        -       0x00000400   Zero   RW          186    STACK               startup_stm32f10x_md.o
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• 通过 SWD 连接芯片，查看 SP 地址

在 startup_stm32f10x_md.s 中 Reset_Handler 中第一句话，SP=0x20000668；进入 main 之后，SP=0x20000650；进入子函数后：SP=00x20000648

• __Vectors 的值与栈顶地址一致