詳解STM32單片機的堆棧

學習STM32單片機的時候，總是能遇到“堆棧”這個概念。分享本文，希望對你理解堆棧有幫助。對于了解一點匯編編程的人，就可以知道，堆棧是內存中一段連續的存儲區域，用來保存一些臨時數據：嵌入式開發中更接近底層的匯編與C 語言。堆棧操作由PUSH、POP兩條指令來完成。而程序內存可以分為幾個區：

●   棧區（stack）

●   堆區（Heap）

●   全局區（static）

1   文字常量區程序代碼區

程序編譯之后，全局變量、靜態變量已經分配好內存空間，在函數運行時，程序需要為局部變量分配棧空間，當中斷來時，也需要將函數指針入棧，保護現場，以便于中斷處理完之后再回到之前執行的函數。

棧是從高到低分配，堆是從低到高分配。

2   普通單片機與STM32單片機中堆棧的區別

普通單片機啟動時，不需要用bootloader將代碼從ROM搬移到RAM。

但是STM32單片機需要。

這里我們可以先看看單片機程序執行的過程，單片機執行分三個步驟：

●   取指令

●   分析指令

●   執行指令

根據PC的值從程序存儲器讀出指令，送到指令寄存器。然后分析執行執行。這樣單片機就從內部程序存儲器去代碼指令，從RAM存取相關數據。

RAM取數的速度是遠高于ROM的，但是普通單片機因為本身運行頻率不高，所以從ROM取指令慢并不影響。

而STM32的CPU運行的頻率高，遠大于從ROM讀寫的速度。所以需要用bootloader 將代碼從ROM 搬移到RAM。

使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

其實堆棧就是單片機中的一些存儲單元，這些存儲單元被指定保存一些特殊信息，比如地址（保護斷點）和數據（保護現場）。

如果非要給他加幾個特點的話那就是：這些存儲單元中的內容都是程序執行過程中被中斷打斷時，事故現場的一些相關參數。如果不保存這些參數，單片機執行完中斷函數后就無法回到主程序繼續執行了。

這些存儲單元的地址被記在了一個叫做堆棧指針（SP）的地方。

3   結合STM32 的開發講述堆棧

從上面的描述可以看得出來，在代碼中是如何占用堆和棧的。可能很多人還是無法理解，這里再結合STM32的開發過程中與堆棧相關的內容來進行講述。

如何設置STM32的堆棧大小？

在基于MDK的啟動文件開始，有一段匯編代碼是分配堆棧大小的。

這里重點知道堆棧數值大小就行。還有一段AREA（區域），表示分配一段堆棧數據段。數值大小可以自己修改，也可以使用STM32CubeMX數值大小配置，如下圖所示。

STM32F1默認設置值0×400，也就是1K大小。

Stack_Size EQU 0×400

函數體內局部變量：

void Fun(void){ char i; int Tmp[256]; //...}

局部變量總共占用了256*4 +1字節的棧空間。所以，在函數內有較多局部變量時，就需要注意是否超過我們配置的堆棧大小。

函數參數：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

這里要強調一點：傳遞指針只占4 字節，如果傳遞的是結構體，就會占用結構大小空間。提示：在函數嵌套，遞歸時，系統仍會占用棧空間。

堆（Heap）的默認設置0×200（512）字節。

Heap_Size EQU 0×200

大部分人應該很少使用malloc 來分配堆空間。雖然堆上的數據只要程序員不釋放空間就可以一直訪問，但是，如果忘記了釋放堆內存，那么將會造成內存泄漏，甚至致命的潛在錯誤。

4   MDK 中RAM占用大小分析

經常在線調試的人，可能會分析一些底層的內容。這里結合MDK-ARM來分析一下RAM占用大小的問題。在MDK編譯之后，會有一段RAM大小信息：

這里4+6=1640，轉換成16進制就是0×668，在進行在調試時，會出現：

這個MSP就是主堆棧指針，一般我們復位之后指向的位置，復位指向的其實是棧頂：

而MSP指向地址0×20000668是0×20000000偏移0×668而得來。具體哪些地方占用了RAM，可以參看map文件中【Image Symbol Table】處的內容：

（本文來源于《EEPW》202507）