©2020-2024 ioDraw All rights reserved,
Privacy Policy
在嵌入式编程中，栈是一个很重要的概念，不管是裸机编程还是基于RTOS编程。函数形参、局部变量、函数调用现场的保护及返回地址、中断函数执行前线程保护及中断嵌套的现场的保护都依赖于栈空间。栈空间不足，程序执行过程中栈溢出，极大可能的影响程序、系统的稳定，严重时会造成程序、系统的崩溃，所以堆栈溢出检测十分重要且必要。
什么是堆，什么是栈
堆和栈都是指预先分配的空间，有大小限制，两者通常是相邻的两个内存区域（RTOS中任务的堆和栈可能不相邻），供程序使用，堆和栈的最大差异是，堆空间通过xxmalloc接口动态使用。
堆栈大小的定义
在裸机编程时，栈大小在启动文件中定义；在基于RTOS编程时，RTOS自身的栈大小在启动文件中定义，任务/线程的栈由RTOS进行定义。通常在RTOS中我们采用动态方式创建任务/线程，这时任务的栈空间实际上在堆中，大小由输入参数决定；如果采用静态方式创建任务/线程，通常是创建静态数组作为任务/线程的栈空间。
管理堆栈的堆栈指针
不同的内核对于堆栈的定义、管理都有差异，比如堆栈的生长方向、基址地址等，这里我们讨论的范围限定于目前嵌入式领域使用广泛的Cortex-M3、Cortex-M4内核。Cortex-M3、Cortex-M4内核都具有双堆栈指针：MSP(主堆栈指针)、PSP（进程堆栈指针），两者在任何时刻都只能使用一个，复位后默认使用MSP。在RTOS系统下，MSP由RTOS自身使用，PSP由任务/线程使用；不使用RTOS时默认只有MSP被使用；中断处理使用MSP。这种双SP指针的设计，很好的为隔离系统（中断）与用户程序提供了支持。
堆、栈空间大小的确定
栈空间的大小有一个粗略的计算方式，每一级调用函数的局部变量、函数形参、函数返回地址空间是栈的基本占用空间，其他的在使用RTOS和裸机下有所不同。裸机下中断现场保护需要栈空间（由MSP管理），中断中的局部变量、中断嵌套也需要栈空间。在有RTOS时，内核的自动入栈的寄存器入栈时使用任务栈空间（由PSP管理），中断处理中的局部变量和中断嵌套过程使用系统栈空间（由MSP管理）。以上的空间为基本上可以认为是栈的基础空间，通常实际使用会在此基础上乘以一个1.5—2.0的系数，我个人通常选择乘以2.0。从内存分布上来说，除去栈空间后的可用空间（SOC本身所需内存空间以外的内存空间）可以作为堆空间使用。
需要知道的是，通过回调调用的函数的栈空间占用通常不好确定（实际的调用函数、调用深度可能改变），通过递归实现的函数的栈空间占用通常不好确定（实际的递归深度不确定）。
堆栈溢出检测机制
堆空间溢出的检测依赖于堆内存管理机制（通常只能通过减小程序中堆内存的使用量，或增加堆内存空间整体的大小的方式解决）。其实防止堆空间溢出比检测堆空间溢出更为实际，因为堆空间大小是已知的，每次堆空间使用的申请也是已知的，只要堆内存管理时，防止超量申请就能很好的预防。
而栈空间的使用通常却难以预知，所以检测相对预防更实际。栈溢出的检测方式有不少，如检测指针是否越界、栈尾部保护数据是否改变；如果处理器具有SP溢出检测单元还能触发异常（如ARMv8-M架构中的SP_Limit寄存器）；如果处理器具有MPU（内存保护单元）还能设定内存保护区域，程序在内存保护区域读写，也会触发异常。