RISC-V MCU堆棧機制

1、什么是堆棧？

在嵌入式的世界里，堆棧通常指的是棧，嚴格來說，堆棧分為堆(Heap)和棧(Stack)。

• 棧(Stack): 一種順序數據結構，滿足后進先出（Last-In / First-Out）的原則，由編譯器自動分配和釋放。使用一級緩存，調用完立即釋放。
• 堆(Heap)：類似於鏈表結構，可對任意位置進行操作，通常由程序員手動分配，使用完需及時釋放(free)，不然容易造成內存泄漏。使用二級緩存。

2、堆棧的作用

• 函數調用時，如果函數參數和局部變量很多，寄存器放不下，需要開辟棧空間存儲。
• 中斷發生時，棧空間用於存放當前執行程序的現場數據（下一條指令地址、各種緩存數據），以便中斷結束后恢復現場。

3、堆棧大小定義

RISC-V MCU的堆棧大小通常在ld鏈接腳本中定義，關於ld鏈接腳本可查看該文：RISC-V MCU ld鏈接腳本說明。

 

	ENTRY( _start ) /* 入口地址 */
	__stack_size = 2048; /* 定義棧大小 */
	PROVIDE( _stack_size = __stack_size );/* 定義_stack_size符號，類似於全局變量 */
	MEMORY
	{
	FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000 , LENGTH = 0x10000
	RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000 , LENGTH = 0x5000
	}
	/*
	...
	中間省略
	...
	*/
	.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size : /* 分配棧空間0x20004800 ~ 0x20005000，共2KB */
	{
	. = ALIGN(4);
	PROVIDE(_susrstack = . );
	. = . + __stack_size;
	PROVIDE( _eusrstack = .);
	} >RAM

以RISC-V MCU CH32V103為例，在其ld鏈接腳本中，定義了_stack_size符號，值為 2048 Byte，后面使用該值在.stack段中分配棧空間，可更改此值調整棧空間大小。

CH32V103 的RAM共20KB，除去程序用到的data、bss段，剩下空間即為動態數據段，供堆棧的動態使用。

ld鏈接腳本中，沒有明確定義heap堆的大小，按照其定義，動態數據段，除了stack占用的，剩下的都可用於heap，通過malloc進行動態管理。

4、壓棧出棧過程

以CH32V103 printf函數調用為例，其反匯編代碼如下：

	000007a4 <iprintf>:
	7a4: 7139 addi sp,sp,-64 # 調整堆棧指針sp，分配64字節的棧空間
	7a6: da3e sw a5,52(sp) # 壓棧，保存a5寄存器的值
	7a8: d22e sw a1,36(sp) # 壓棧，按需保存相應的寄存器
	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) # 壓棧，保存幀指針fp(s0)
	7ba: 4380 lw s0,0(a5)
	7bc: ca26 sw s1,20(sp)
	7be: ce06 sw ra,28(sp) # 壓棧，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) # 出棧，恢復返回地址(ra寄存器)
	7dc: 4462 lw s0,24(sp) # 出棧，恢復幀指針fp(s0)
	7de: 44d2 lw s1,20(sp) # 出棧，按需恢復相應的寄存器
	7e0: 6121 addi sp,sp,64 # 釋放棧空間
	7e2: 8082 ret # 函數返回，根據ra寄存器地址返回

5、malloc使用注意事項

CH32V103默認工程中，heap只有起始地址，沒有結束地址約束，這樣最終會導致malloc永遠都不會返回NULL。

如果使用malloc時，需進行如下操作：

1. 重寫_sbrk函數，代碼如下，放在工程任意位置，推薦放在debug.c 文件中。

   _sbrk代碼原型：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鏈接腳本，定義heap大小

   • 默認RAM中除去data、bss、stack等剩余的都為heap空間

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

   	PROVIDE( _end = _ebss);
   	PROVIDE( end = . ); /* 定義heap起始位置 */
   	.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
   	{
   	PROVIDE( _heap_end = . ); /* 定義heap結束位置，默認到棧底結束 */
   	. = 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); 定義，位置如下：

   	PROVIDE( _end = _ebss);
   	PROVIDE( end = . ); /* 定義heap起始位置 */
   	PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); /* 定義heap結束位置，長度為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

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