RISC-V MCU堆栈机制

1、什么是堆栈？

在嵌入式的世界里，堆栈通常指的是栈，严格来说，堆栈分为堆(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。使用一级缓存，调用完立即释放。
• 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。使用二级缓存。

2、堆栈的作用

• 函数调用时，如果函数参数和局部变量很多，寄存器放不下，需要开辟栈空间存储。
• 中断发生时，栈空间用于存放当前执行程序的现场数据（下一条指令地址、各种缓存数据），以便中断结束后恢复现场。

3、堆栈大小定义

RISC-V MCU的堆栈大小通常在ld链接脚本中定义，关于ld链接脚本可查看该文：RISC-V MCU ld链接脚本说明。

 

	ENTRY( _start ) /* 入口地址 */
	__stack_size = 2048; /* 定义栈大小 */
	PROVIDE( _stack_size = __stack_size );/* 定义_stack_size符号，类似于全局变量 */
	MEMORY
	{
	FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000 , LENGTH = 0x10000
	RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000 , LENGTH = 0x5000
	}
	/*
	...
	中间省略
	...
	*/
	.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size : /* 分配栈空间0x20004800 ~ 0x20005000，共2KB */
	{
	. = ALIGN(4);
	PROVIDE(_susrstack = . );
	. = . + __stack_size;
	PROVIDE( _eusrstack = .);
	} >RAM

以RISC-V MCU CH32V103为例，在其ld链接脚本中，定义了_stack_size符号，值为 2048 Byte，后面使用该值在.stack段中分配栈空间，可更改此值调整栈空间大小。

CH32V103 的RAM共20KB，除去程序用到的data、bss段，剩下空间即为动态数据段，供堆栈的动态使用。

ld链接脚本中，没有明确定义heap堆的大小，按照其定义，动态数据段，除了stack占用的，剩下的都可用于heap，通过malloc进行动态管理。

4、压栈出栈过程

以CH32V103 printf函数调用为例，其反汇编代码如下：

	000007a4 <iprintf>:
	7a4: 7139 addi sp,sp,-64 # 调整堆栈指针sp，分配64字节的栈空间
	7a6: da3e sw a5,52(sp) # 压栈，保存a5寄存器的值
	7a8: d22e sw a1,36(sp) # 压栈，按需保存相应的寄存器
	7aa: d432 sw a2,40(sp)
	7ac: d636 sw a3,44(sp)
	7ae: d83a sw a4,48(sp)
	7b0: dc42 sw a6,56(sp)
	7b2: de46 sw a7,60(sp)
	7b4: 80818793 addi a5,gp,-2040 # 20000078 <_impure_ptr>
	7b8: cc22 sw s0,24(sp) # 压栈，保存帧指针fp(s0)
	7ba: 4380 lw s0,0(a5)
	7bc: ca26 sw s1,20(sp)
	7be: ce06 sw ra,28(sp) # 压栈，保存返回地址(ra寄存器)
	7c0: 84aa mv s1,a0
	7c2: c409 beqz s0,7cc <iprintf+0x28>
	7c4: 4c1c lw a5,24(s0)
	7c6: e399 bnez a5,7cc <iprintf+0x28>
	7c8: 8522 mv a0,s0
	7ca: 2315 jal cee <__sinit>
	7cc: 440c lw a1,8(s0)
	7ce: 1054 addi a3,sp,36
	7d0: 8626 mv a2,s1
	7d2: 8522 mv a0,s0
	7d4: c636 sw a3,12(sp)
	7d6: 167000ef jal ra,113c <_vfiprintf_r>
	7da: 40f2 lw ra,28(sp) # 出栈，恢复返回地址(ra寄存器)
	7dc: 4462 lw s0,24(sp) # 出栈，恢复帧指针fp(s0)
	7de: 44d2 lw s1,20(sp) # 出栈，按需恢复相应的寄存器
	7e0: 6121 addi sp,sp,64 # 释放栈空间
	7e2: 8082 ret # 函数返回，根据ra寄存器地址返回

5、malloc使用注意事项

CH32V103默认工程中，heap只有起始地址，没有结束地址约束，这样最终会导致malloc永远都不会返回NULL。

如果使用malloc时，需进行如下操作：

1. 重写_sbrk函数，代码如下，放在工程任意位置，推荐放在debug.c 文件中。

   _sbrk代码原型：https://github.com/riscv/riscv-newlib/blob/riscv-newlib-3.1.0/libgloss/libnosys/sbrk.c

   	void *_sbrk(ptrdiff_t incr)
   	{
   	extern char _end[];
   	extern char _heap_end[];
   	static char *curbrk = _end;
   	if ((curbrk + incr < _end) || (curbrk + incr > _heap_end))
   	return NULL - 1;
   	curbrk += incr;
   	return curbrk - incr;
   	}

2. 修改ld链接脚本，定义heap大小

   • 默认RAM中除去data、bss、stack等剩余的都为heap空间

     增加PROVIDE( _heap_end = . ); 定义，位置如下：

   	PROVIDE( _end = _ebss);
   	PROVIDE( end = . ); /* 定义heap起始位置 */
   	.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
   	{
   	PROVIDE( _heap_end = . ); /* 定义heap结束位置，默认到栈底结束 */
   	. = ALIGN(4);
   	PROVIDE(_susrstack = . );
   	/*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
   	. = . + __stack_size;
   	PROVIDE( _eusrstack = .);
   	} >RAM

   • 指定heap大小的修改方式如下：

     增加 PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); 定义，位置如下：

   	PROVIDE( _end = _ebss);
   	PROVIDE( end = . ); /* 定义heap起始位置 */
   	PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); /* 定义heap结束位置，长度为1KB */
   	.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
   	{
   	. = ALIGN(4);
   	PROVIDE(_susrstack = . );
   	/*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
   	. = . + __stack_size;
   	PROVIDE( _eusrstack = .);
   	} >RAM

参考:
https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain/issues/571
https://github.com/lowRISC/ibex/issues/1415