吳光文,周航慈

(東華理工大學(xué),撫州344000)

引言

用C語言進(jìn)行MCS-51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)和應(yīng)用的必然趨勢。Keil公司的C51編譯器支持經(jīng)典8051和8051派生產(chǎn)品的版本,通稱為Cx51。應(yīng)該說,Cx51是C語言在MCS-51單片機(jī)上的擴(kuò)展,既有C語言的共性,又有它自己的特點(diǎn)。本文介紹的是Cx51程序設(shè)計(jì)時(shí)堆棧的計(jì)算方法。

1 堆棧的溢出問題

MCS-51系列單片機(jī)將堆棧設(shè)置在片內(nèi)RAM中,由于片內(nèi)RAM資源有限,堆棧區(qū)的范圍也是有限的。堆棧區(qū)留得太大,會(huì)減少其他數(shù)據(jù)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(qū)已經(jīng)滿了的時(shí)候還要進(jìn)行新的壓棧操作,這時(shí)只好將壓棧的內(nèi)容存放到非堆棧區(qū)的特殊功能寄存器(SFR)中或者堆棧外的數(shù)據(jù)區(qū)中。特殊功能寄存器的內(nèi)容影響系統(tǒng)的狀態(tài),數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容又很容易被程序修改,這樣一來,之后進(jìn)行出棧操作(如子程序返回)時(shí)內(nèi)容已變樣,程序也就亂套了。因此,堆棧區(qū)必須留夠,寧可大一些。

要在Cx51程序設(shè)計(jì)中防止堆棧的溢出,要解決兩個(gè)問題:第一,精確計(jì)算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小,假設(shè)是M;第二,精確計(jì)算用戶需要堆棧的大小,假設(shè)是N。要求M≥N,下面分別分析這兩個(gè)問題。

2 計(jì)算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小

Cx51程序設(shè)計(jì)中,因?yàn)閯?dòng)態(tài)局部變量是長駐內(nèi)存中的,實(shí)際上相當(dāng)于局部靜態(tài)變量,即使在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時(shí)也不釋放空間(這一點(diǎn)不同于標(biāo)準(zhǔn)C語言)。Cx51編譯器按照用戶的設(shè)置,將所有的變量存放在片內(nèi)和片外的RAM中。片內(nèi)變量分配好空間后,將剩下的空間全部作為堆?？臻g,這個(gè)空間是最大可能的堆?？臻g。當(dāng)然,因?yàn)镃x51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?？臻g設(shè)置得小一點(diǎn)。不過,一般沒有人這么做。本文只是討論放在片內(nèi)RAM的變量。

我們把變量分為兩種情況:

①用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)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(shè)統(tǒng)一用寄存器組0,具體的地址為0x00～0x07。最多可以傳遞3個(gè)參數(shù),如果參數(shù)的個(gè)數(shù)比較多,就將多余的參數(shù)放到內(nèi)存(0x08以后的地址)中存放。這里,假設(shè)每個(gè)函數(shù)的參數(shù)都不大于3個(gè)。

②我們在程序中定義的全局變量,以及不是用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)返回值的局部變量。以上兩種變量在內(nèi)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(nèi)RAM的最后一個(gè)字節(jié)。因?yàn)镸CS-51單片機(jī)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(shí)將堆棧指針先加1,后入棧有效內(nèi)容。

有了以上規(guī)則,就可以精確地計(jì)算出系統(tǒng)分配給用戶的堆?？臻g。以求兩個(gè)數(shù)的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)的函數(shù)為例,代碼如下:

這段程序中資源的分配情況如下:一個(gè)全變量M(無符號字符型)存放最大公約數(shù);主函數(shù)中定義一個(gè)局部變量n(無符號字符型)存放最小公倍數(shù);求最大公約數(shù)的函數(shù)unsigned charmax(unsigned char a,unsigned char b),有兩個(gè)參數(shù)a和b;求最小公倍數(shù)的函數(shù)unsigned char min(unsigned char a,unsigned char b),有兩個(gè)參數(shù)a和b,并且定義了一個(gè)變量k存放函數(shù)的返回值?？梢杂纱擞?jì)算出系統(tǒng)分配給變量的空間。函數(shù)的參數(shù)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(tǒng)只給變量M和變量n分配存儲(chǔ)空間,這兩個(gè)變量占兩個(gè)字節(jié)(地址為0x08和0x09),則堆棧指針SP應(yīng)該指向0x09。

Cx51系統(tǒng)編譯后生成代碼的系統(tǒng)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(jì)算結(jié)果相符。

3 計(jì)算用戶需要堆棧的大小

堆棧區(qū)到底留多大才算足夠呢?Cx51程序設(shè)計(jì)中,用戶需要堆棧的大小可以從普通子函數(shù)和中斷子程序的嵌套層數(shù)來計(jì)算。普通子函數(shù)的調(diào)用比較簡單,每次調(diào)用時(shí)就是將函數(shù)的返回地址保存在堆棧中,這個(gè)地址占兩個(gè)字節(jié)。函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí),從最內(nèi)層的子函數(shù)算起,總的堆棧需求字節(jié)數(shù)為嵌套的層數(shù)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(fā)生前的寄存器組。在中斷發(fā)生時(shí),保存中斷子程序的返回地址需要2個(gè)字節(jié)。中斷發(fā)生后,在中斷子程序中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行如下操作:將ACC、B、DPH、DPL、PSW、R0～R7共13個(gè)寄存器壓棧。加上中斷返回地址,中斷的堆棧需求為15個(gè)字節(jié)。

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(nèi)容,可以減少堆棧需求,其他的內(nèi)容仍需要壓棧保護(hù)。中斷發(fā)生時(shí),保存中斷子程序的返回地址需要2個(gè)字節(jié)。中斷發(fā)生后,在中斷子程序中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行如下操作:將ACC、B、DPH、DPL、PSW共5個(gè)寄存器壓棧。加上、中斷返回地址,這種堆棧的需求為7個(gè)字節(jié)。但是這種情況應(yīng)該注意:如果中斷子程序中調(diào)用子函數(shù),且函數(shù)需要參數(shù)和返回值,則被調(diào)用的子函數(shù)和中斷子程序要使用相同的寄存器組,否則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的后果。

以一個(gè)溫度測試系統(tǒng)為例。系統(tǒng)采用8051作為處理器,溫度信號在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過外部中斷0提醒單片機(jī)接收處理。定時(shí)中斷0作為監(jiān)控程序,中斷周期為20m s。溫度信號可以自動(dòng)測量(每秒一次)或者手動(dòng)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(shù)的嵌套情況為:在定時(shí)中斷程序中調(diào)用顯示子程序,外部中斷0內(nèi)部沒有函數(shù)調(diào)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(shè)定時(shí)器0中斷時(shí),調(diào)用了顯示函數(shù)void leddisp(unsigned char*pt),在調(diào)用顯示函數(shù)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)生了外部中斷0的中斷。這時(shí)應(yīng)該是程序?qū)Χ褩５淖畲笮枨?堆棧的大小是:定時(shí)器0(15字節(jié))+顯示函數(shù)(2字節(jié))+外部中斷0(7字節(jié))=24字節(jié)。

結(jié) 語

通過精確的計(jì)算編譯系統(tǒng)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(jī)比較緊張的資源。此外,通過在片內(nèi)存儲(chǔ)器存放適量局部變量,還可以有效地提高軟件的執(zhí)行速度。

[1]周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[2]馬忠梅,等.單片機(jī)C語言Window s環(huán)境編程寶典[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.