對堆棧8字節對齊問題的討論 (轉)

一.為什么要保證堆棧8字節對齊
AAPCS規則要求堆棧保持8字節對齊。如果不對齊，調用一般的函數也是沒問題的。但是當調用需要嚴格遵守AAPCS規則的函數時可能會出錯。
例如調用sprintf輸出一個浮點數時，棧必須是8字節對齊的，否則結果可能會出錯。

實驗驗證：
#include "stdio.h"
#include "string.h"
float fff=1.234;
char buf[128];
int main(void)
{
sprintf(buf,"%.3f\n\r",fff);//A
while(1);
}

1.在A處設置斷點，讓程序全速運行至A
2.在MDK中修改MSP的值使MSP滿足8字節對齊
3.全速運行程序，觀察buf中的字符為 1.234 結果正確
4.回到第2步，修改MSP使之只滿足4字節對齊而不滿足8字節對齊
5.全速運行程序，觀察buf中的字符為 -2.000 結果錯誤

該實驗證明了調用sprintf輸出一個浮點數必須要保證棧8字節對齊。


二.編譯器為我們做了什么
先看一個實驗
#include "stdio.h"
#include "string.h"
float fff=1.234;
char buf[128];

void fun(int a,int b,int c,int d)
{
int v;
v=v;
}
void test(void)
{}

int main(void)
{
fun(1,2,3,4);
test();//A
//sprintf(buf,"%.3f\n\r",fff);
while(1);
}

0.保證初始的時候堆棧是8字節對齊的
1.在A處設置斷點
2.全速運行至A，觀察MSP=0x2000025c，沒有8字節對齊
3.略微修改一下main函數代碼如下，其他部分代碼不變

int main(void)
{
fun(1,2,3,4);
//test();
sprintf(buf,"%.3f\n\r",fff);//A
while(1);
}

4.同樣在A處設置斷點
5.全速運行至A，觀察MSP=0x200002d8，這次8字節對齊了

這個實驗說明了如果編譯器發現了某個函數需要調用浮點庫時會自動調整編譯生成的匯編
代碼，從而保證調用這些浮點庫函數時堆棧是8字節對齊的。換句話說如果我們保證了棧
初始的時候是8字節對齊的，那么編譯器可以保證以后調用浮點庫時堆棧仍是8字節對齊的。

三.os下應該怎樣設置任務堆棧
由上面的討論可知給任務分配棧時需要保證棧是8字節對齊的，不然在該任務中凡是調用sprintf的函數
均會出錯，因為棧一開始就是不對齊的。

四.中斷中的棧對齊問題
是否保證了棧初始是8字節對齊了就萬事大吉了呢。no！大家請看一種特殊的情況：
#include "stdio.h"
#include "string.h"
float fff=1.234;
char buf[128];
void fun(int a,int b,int c,int d)
{
int v;
v=v;
}
int main(void)
{
fun(1,2,3,4);
while(1);
}
void SVC_Handler(void)
{
sprintf(buf,"%.3f\n\r",fff);//B
}
mian函數的反匯編如下：
0x080001DC B500 PUSH {lr}
0x080001DE 2304 MOVS r3,#0x04 ;A
0x080001E0 2203 MOVS r2,#0x03
0x080001E2 2102 MOVS r1,#0x02
0x080001E4 2001 MOVS r0,#0x01
0x080001E6 F7FFFFF5 BL.W fun (0x080001D4)
0x080001EA BF00 NOP
0x080001EC E7FE B 0x080001EC

0.保證初始的時候堆棧是8字節對齊的
1.在A處設置斷點
2.全速運行至A，觀察此時MSP=0x200002e4 未對齊
3.在MDK中將SVC的掛起位置1
4.在B處設置斷點
5.全速運行至B，觀察此時MSP=0x200002b4 未對齊
6.繼續全速執行，觀察buf中的字符為:-2.000 出錯了

這個實驗說明了即使保證棧初始是8字節對齊的，編譯器也只能保證在調用sprintf那個時刻棧是8字節對齊的
但不能保證任意時刻棧都是8字節對齊的，如果恰巧在MSP沒有8字節對齊的時刻發生了中斷，而中斷中又調用
了sprintf，這種情況下仍會出錯

五.Cortex-M3內核為我們做了什么
Cortex-M3內核提供了一種硬件機制來解決上述這種中斷中棧不對齊問題。
CM3中可以把NVIC配置控制寄存器的STKALIGN置位，來保證中斷中的棧8字節對齊，
具體實現過程如下：
當發生中斷時由硬件自動檢測MSP是否8字節對齊，如果對齊了，則不進行任何操作，
如果沒有對齊，則自動將MSP減4這樣便對齊了，同時將xPSR的第9位置位來記錄這個
MSP的非正常的變化，在中斷返回若發現xPSR的第9位是置位的則自動將MSP加4調整
回原來的值。

實驗驗證：
#include "stdio.h"
#include "string.h"
float fff=1.234;
char buf[128];
void fun(int a,int b,int c,int d)
{
int v;
v=v;
}
int main(void)
{
fun(1,2,3,4);
while(1);
}
void SVC_Handler(void)
{
sprintf(buf,"%.3f\n\r",fff);//B
}
mian函數的反匯編如下：
0x080001DC B500 PUSH {lr}
0x080001DE 2304 MOVS r3,#0x04 ;A
0x080001E0 2203 MOVS r2,#0x03
0x080001E2 2102 MOVS r1,#0x02
0x080001E4 2001 MOVS r0,#0x01
0x080001E6 F7FFFFF5 BL.W fun (0x080001D4)
0x080001EA BF00 NOP
0x080001EC E7FE B 0x080001EC

1.在A處設置斷點
2.全速運行至A，觀察此時MSP=0x200002e4 未對齊
3.在MDK中將SVC的掛起位置1，同時將0xE000ED14處的值由0x00000000改為0x00000200
(即將NVIC配置控制寄存器的STKALIGN置位)
4.在B處設置斷點
5.全速運行至B，觀察此時MSP=0x200002b0 對齊了
6.觀察中斷返回時的MSP=0x200002e4 調整回來了
7.繼續全速執行，觀察buf中的字符為:1.234 正確

這個實驗說明了將NVIC配置控制寄存器的STKALIGN置位可以保護中斷時棧仍是8字節對齊


六.總結
綜上所述，為了能夠安全的使用嚴格遵守AAPCS規則的函數(比如sprintf)需要做到以下幾點：
1.保證MSP在初始的時候是8字節對齊的
2.如果用到OS的話需要保證給每個任務分配的棧是保持8字節對齊的
3.如果用的是基於CM3內核的處理器需將NVIC配置控制寄存器的STKALIGN置位