Cx51程序設計的堆棧空間計算方法

吳光文,周航慈

(東華理工大學,撫州344000)

引言

用C語言進行MCS-51系列單片機程序設計是單片機開發和應用的必然趨勢。Keil公司的C51編譯器支持經典8051和8051派生產品的版本,通稱為Cx51。應該說,Cx51是C語言在MCS-51單片機上的擴展,既有C語言的共性,又有它自己的特點。本文介紹的是Cx51程序設計時堆棧的計算方法。

1 堆棧的溢出問題

MCS-51系列單片機將堆棧設置在片內RAM中,由于片內RAM資源有限,堆棧區的范圍也是有限的。堆棧區留得太大,會減少其他數據的存放空間,留得太少則很容易溢出。所謂堆棧溢出,是指在堆棧區已經滿了的時候還要進行新的壓棧操作,這時只好將壓棧的內容存放到非堆棧區的特殊功能寄存器(SFR)中或者堆棧外的數據區中。特殊功能寄存器的內容影響系統的狀態,數據區的內容又很容易被程序修改,這樣一來,之后進行出棧操作(如子程序返回)時內容已變樣,程序也就亂套了。因此,堆棧區必須留夠,寧可大一些。

要在Cx51程序設計中防止堆棧的溢出,要解決兩個問題:第一,精確計算系統分配給用戶的堆棧大小,假設是M;第二,精確計算用戶需要堆棧的大小,假設是N。要求M≥N,下面分別分析這兩個問題。

2 計算系統分配給用戶的堆棧大小

Cx51程序設計中,因為動態局部變量是長駐內存中的,實際上相當于局部靜態變量,即使在函數調用結束時也不釋放空間(這一點不同于標準C語言)。Cx51編譯器按照用戶的設置,將所有的變量存放在片內和片外的RAM中。片內變量分配好空間后,將剩下的空間全部作為堆棧空間,這個空間是最大可能的堆棧空間。當然,因為Cx51是一種可以訪問寄存器的C語言(特殊功能寄存器),因此可在程序中訪問SP,將堆棧空間設置得小一點。不過,一般沒有人這么做。本文只是討論放在片內RAM的變量。

我們把變量分為兩種情況:

①用作函數的參數和函數返回值的局部變量。這種變量盡量在寄存器組中存放。為了討論方便,假設統一用寄存器組0,具體的地址為0x00～0x07。最多可以傳遞3個參數,如果參數的個數比較多,就將多余的參數放到內存(0x08以后的地址)中存放。這里,假設每個函數的參數都不大于3個。

②我們在程序中定義的全局變量,以及不是用作函數的參數和函數返回值的局部變量。以上兩種變量在內存中0x08地址以后存放,存放完畢后將堆棧指針SP指向分配了變量的片內RAM的最后一個字節。因為MCS-51單片機的堆棧是一種滿遞增堆棧且堆棧的寬度為8位,所以在需要壓棧操作時將堆棧指針先加1,后入棧有效內容。

有了以上規則,就可以精確地計算出系統分配給用戶的堆棧空間。以求兩個數的最大公約數和最小公倍數的函數為例,代碼如下:

這段程序中資源的分配情況如下:一個全變量M(無符號字符型)存放最大公約數;主函數中定義一個局部變量n(無符號字符型)存放最小公倍數;求最大公約數的函數unsigned charmax(unsigned char a,unsigned char b),有兩個參數a和b;求最小公倍數的函數unsigned char min(unsigned char a,unsigned char b),有兩個參數a和b,并且定義了一個變量k存放函數的返回值。可以由此計算出系統分配給變量的空間。函數的參數和返回值在工作寄存器組中存放,所以不占用0x08地址以后的空間。系統只給變量M和變量n分配存儲空間,這兩個變量占兩個字節(地址為0x08和0x09),則堆棧指針SP應該指向0x09。

Cx51系統編譯后生成代碼的系統資源占用情況如下:全局變量M的地址為0x08,n的地址為0x09,SP的值為0x09。這與我們的計算結果相符。

3 計算用戶需要堆棧的大小

堆棧區到底留多大才算足夠呢?Cx51程序設計中,用戶需要堆棧的大小可以從普通子函數和中斷子程序的嵌套層數來計算。普通子函數的調用比較簡單,每次調用時就是將函數的返回地址保存在堆棧中,這個地址占兩個字節。函數嵌套調用時,從最內層的子函數算起,總的堆棧需求字節數為嵌套的層數乘以2。

中斷子程序的堆棧需求分為兩種情況:

①中斷子程序使用中斷發生前的寄存器組。在中斷發生時,保存中斷子程序的返回地址需要2個字節。中斷發生后,在中斷子程序中系統會自動進行如下操作:將ACC、B、DPH、DPL、PSW、R0～R7共13個寄存器壓棧。加上中斷返回地址,中斷的堆棧需求為15個字節。

②中斷子程序使用自己專用的寄存器組。這種情況下不需要保存R0～R7的內容,可以減少堆棧需求,其他的內容仍需要壓棧保護。中斷發生時,保存中斷子程序的返回地址需要2個字節。中斷發生后,在中斷子程序中系統會自動進行如下操作:將ACC、B、DPH、DPL、PSW共5個寄存器壓棧。加上、中斷返回地址,這種堆棧的需求為7個字節。但是這種情況應該注意:如果中斷子程序中調用子函數,且函數需要參數和返回值,則被調用的子函數和中斷子程序要使用相同的寄存器組,否則會出現不可預料的后果。

以一個溫度測試系統為例。系統采用8051作為處理器,溫度信號在A/D轉換結束后通過外部中斷0提醒單片機接收處理。定時中斷0作為監控程序,中斷周期為20m s。溫度信號可以自動測量(每秒一次)或者手動測量(按測量鍵后測量),這兩種測量方法可以通過控制鍵切換。中斷子程序和普通子函數的嵌套情況為:在定時中斷程序中調用顯示子程序,外部中斷0內部沒有函數調用。部分程序如下:

接下來分析這段程序的最大堆棧需求。假設定時器0中斷時,調用了顯示函數void leddisp(unsigned char*pt),在調用顯示函數時A/D轉換結束發生了外部中斷0的中斷。這時應該是程序對堆棧的最大需求,堆棧的大小是:定時器0(15字節)+顯示函數(2字節)+外部中斷0(7字節)=24字節。

結 語

通過精確的計算編譯系統分配給用戶的堆棧空間和用戶自己最大的堆棧需求,不僅能從根本上解決堆棧溢出的問題,還可以很好地安排單片機比較緊張的資源。此外,通過在片內存儲器存放適量局部變量,還可以有效地提高軟件的執行速度。

[1]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京航空航天大學出版社,2002.

[2]馬忠梅,等.單片機C語言Window s環境編程寶典[M].北京航空航天大學出版社,2003.