MCS51单片机程序设计时堆栈的计算方法解析

yingujun 2019-11-14 3836

控制/MCU

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描述

用C语言进行MCS51系列单片机程序设计是单片机开发和应用的必然趋势。Keil公司的C51编译器支持经典8051和8051派生产品的版本，通称为Cx51。应该说，Cx51是C语言在MCS51单片机上的扩展，既有C语言的共性，又有它自己的特点。本文介绍的是Cx51程序设计时堆栈的计算方法。

1.堆栈的溢出问题。MCS51系列单片机将堆栈设置在片内RAM中，由于片内RAM资源有限，堆栈区的范围也是有限的。堆栈区留得太大，会减少其他数据的存放空间，留得太少则很容易溢出。所谓堆栈溢出，是指在堆栈区已经满了的时候还要进行新的压栈操作，这时只好将压栈的内容存放到非堆栈区的特殊功能寄存器（SFR）中或者堆栈外的数据区中。特殊功能寄存器的内容影响系统的状态，数据区的内容又很容易被程序修改，这样一来，之后进行出栈操作（如子程序返回）时内容已变样，程序也就乱套了。因此，堆栈区必须留够，宁可大一些。要在Cx51程序设计中防止堆栈的溢出，要解决两个问题：第一，精确计算系统分配给用户的堆栈大小，假设是M；第二，精确计算用户需要堆栈的大小，假设是N。要求M≥N，下面分别分析这两个问题。

2.计算系统分配给用户的堆栈大小Cx51程序设计中，因为动态局部变量是长驻内存中的，实际上相当于局部静态变量，即使在函数调用结束时也不释放空间（这一点不同于标准C语言）。Cx51编译器按照用户的设置，将所有的变量存放在片内和片外的RAM中。片内变量分配好空间后，将剩下的空间全部作为堆栈空间，这个空间是最大可能的堆栈空间。当然，因为Cx51是一种可以访问寄存器的C语言（特殊功能寄存器），因此可在程序中访问SP，将堆栈空间设置得小一点。不过，一般没有人这么做。

本文只是讨论放在片内RAM的变量。我们把变量分为两种情况：

① 用作函数的参数和函数返回值的局部变量。这种变量尽量在寄存器组中存放。为了讨论方便，假设统一用寄存器组0，具体的地址为0x00~0x07。最多可以传递3个参数，如果参数的个数比较多，就将多余的参数放到内存（0x08以后的地址）中存放。这里，假设每个函数的参数都不大于3个。

② 我们在程序中定义的全局变量，以及不是用作函数的参数和函数返回值的局部变量。以上两种变量在内存中0x08地址以后存放，存放完毕后将堆栈指针SP指向分配了变量的片内RAM的最后一个字节。因为MCS51单片机的堆栈是一种满递增堆栈且堆栈的宽度为8位，所以在需要压栈操作时将堆栈指针先加1，后入栈有效内容。有了以上规则，就可以精确地计算出系统分配给用户的堆栈空间。以求两个数的最大公约数和最小公倍数的函数为例，代码如下：

#include

unsigned char max（unsigned char a， unsigned char b）;

unsigned char min（unsigned char a， unsigned char b）;

unsigned char M;

void main （void）

{

unsigned char n;

M = max（12， 9）;

n = min（12， 9）;

}

unsigned char max（unsigned char a， unsigned char b）

{

while（a ！= b）

{

if（a 》 b）

a = a - b;

else

b = b - a;

}

return a;

}

unsigned char min（unsigned char a， unsigned char b）

{

unsigned char k;

k = ab/M;

return k;

}

这段程序中资源的分配情况如下：一个全变量M（无符号字符型）存放最大公约数；主函数中定义一个局部变量n（无符号字符型）存放最小公倍数；求最大公约数的函数unsigned char max（unsigned char a， unsigned char b），有两个参数a和b；求最小公倍数的函数unsigned char min（unsigned char a， unsigned char b），有两个参数a和b，并且定义了一个变量k存放函数的返回值。可以由此计算出系统分配给变量的空间。函数的参数和返回值在工作寄存器组中存放，所以不占用0x08地址以后的空间。系统只给变量M和变量n分配存储空间，这两个变量占两个字节（地址为0x08和0x09），则堆栈指针SP应该指向0x09。Cx51系统编译后生成代码的系统资源占用情况如下：全局变量M的地址为0x08，n的地址为0x09，SP的值为0x09。这与我们的计算结果相符。

3.计算用户需要堆栈的大小。堆栈区到底留多大才算足够呢？ Cx51程序设计中，用户需要堆栈的大小可以从普通子函数和中断子程序的嵌套层数来计算。普通子函数的调用比较简单，每次调用时就是将函数的返回地址保存在堆栈中，这个地址占两个字节。函数嵌套调用时，从最内层的子函数算起，总的堆栈需求字节数为嵌套的层数乘以2。中断子程序的堆栈需求分为两种情况：

① 中断子程序使用中断发生前的寄存器组。在中断发生时，保存中断子程序的返回地址需要2个字节。中断发生后，在中断子程序中系统会自动进行如下操作：将ACC、B、DPH、DPL、PSW、R0~R7共13个寄存器压栈。加上中断返回地址，中断的堆栈需求为15个字节。

② 中断子程序使用自己专用的寄存器组。这种情况下不需要保存R0~R7的内容，可以减少堆栈需求，其他的内容仍需要压栈保护。中断发生时，保存中断子程序的返回地址需要2个字节。中断发生后，在中断子程序中系统会自动进行如下操作：将ACC、B、DPH、DPL、PSW共5个寄存器压栈。加上、中断返回地址，这种堆栈的需求为7个字节。但是这种情况应该注意：如果中断子程序中调用子函数，且函数需要参数和返回值，则被调用的子函数和中断子程序要使用相同的寄存器组，否则会出现不可预料的后果。

以一个温度测试系统为例。系统采用8051作为处理器，温度信号在A/D转换结束后通过外部中断0提醒单片机接收处理。定时中断0作为监控程序，中断周期为20 ms。温度信号可以自动测量（每秒一次）或者手动测量（按测量键后测量），这两种测量方法可以通过控制键切换。中断子程序和普通子函数的嵌套情况为：在定时中断程序中调用显示子程序，外部中断0内部没有函数调用。部分程序如下：

void int0（void） interrupt 0 using 1

{

读取转换数据；

数据处理；

}

void time0 （void） interrupt 1

{

计数值重装；

读键；

按键处理；

leddisp（adat）;//显示

}

void main （void）

{

相关数据初始化和数码显示自检；

外部中断和定时器初始化设置；

单片机休眠；

}

void leddisp（unsigned char pt）

{

用串口工作方式0发送显示数据，并经过74LS164转换后静态显示；

}

接下来分析这段程序的最大堆栈需求。假设定时器0中断时，调用了显示函数void leddisp（unsigned char pt），在调用显示函数时A/D转换结束发生了外部中断0的中断。这时应该是程序对堆栈的最大需求，堆栈的大小是：定时器0（15字节）＋显示函数（2字节）＋外部中断0（7字节）＝24字节。

结语：通过精确的计算编译系统分配给用户的堆栈空间和用户自己最大的堆栈需求，不仅能从根本上解决堆栈溢出的问题，还可以很好地安排单片机比较紧张的资源。此外，通过在片内存储器存放适量局部变量，还可以有效地提高软件的执行速度。
责任编辑；zl

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