Что такое стек микроконтроллера
Перейти к содержимому

Что такое стек микроконтроллера

  • автор:

3.8. Стек и указатель стека

Стек необходим для запоминания адресов возврата из процедур обработки прерывания и подпрограмм. Его также можно использовать для временного хранения данных. Регистр указателя стека (SP) постоянно указывает на вершину стека. Он реализован в виде двух 8-битных регистров, доступных в пространстве памяти ввода-вывода. Данные помещаются в стек и извлекаются из него посредством инструкций PUSH и POP. Увеличение стека происходит в направлении от старших ячеек памяти к младшим. Таким образом, при помещении данных в стек содержимое регистра SP уменьшается, а при извлечении данных — увеличивается. После сброса, SP автоматически инициализируется значением, которое равно максимальному адресу внутреннего SRAM. При необходимости изменения SP нужно учитывать, что помещаемый в него адрес должен лежать выше 0x2000, а само изменение нужно выполнить перед вызовом каких-либо подпрограмм или разрешением прерываний.

При вызове подпрограмм или при переходе по вектору прерываний адрес возврата автоматически помещается в стек. Адрес возврата может быть представлен двумя или тремя байтами, что зависит от размера памяти микроконтроллера. У МК с памятью программ 128 кбайт и менее адрес возврата двухбайтный, поэтому, указатель стека декрементируется/инкрементируется на два. У тех же микроконтроллеров, которые оснащены памятью программ размером более 128 кбайт, адрес возврата трехбайтный, а декрементирование/инкрементирование SP выполняется на три. Адрес возврата извлекается из стека при выходе из прерывания по инструкции RETI, а из подпрограммы по инструкции RET.

Если инструкцией PUSH в стек помещаются данные, то SP декрементируется на единицу. Аналогичным образом, при извлечении данных из стека инструкцией POP содержимое SP инкрементируется на единицу.

Чтобы предотвратить сбой в выполнении программы при программном обновлении указателя стека, операция записи в SPL приводит к автоматическому отключению прерываний на время выполнения до четырех инструкций или до следующей операции записи в память ввода-вывода.

Что такое стек микроконтроллера

Стек представляет собой область памяти, которую ЦПУ использует для сохранения и восстановления адресов возврата из подпрограмм.
Практически у всех микроконтроллеров AVR стек размещается в SRAM. Для адресации текущего элемента (вершины стека) используется указатель стека SP (Stack Pointer). Это однобайтовый РВВ SPL у моделей с объемом памяти данных до 256 б, или двухбайтовый SPH:SPL (SPH – старший байт, SPL – младший байт).

Когда микропроцессор встречает одну из инструкций вызовов rcall/call/ecall/icall/eicall, то адрес следующего за ними слова в памяти программ аппаратно копируется в стек. В момент выхода из подпрограммы по команде ret адрес возврата восстанавливается из стека в программный счетчик. В моделях с объемом памяти программ 128 и 256 к/слов для сохранения PC в стеке потребуется 3 байта, для всех остальных – 2 байта. При сохранении каждого байта содержимое SP уменьшается на единицу, а при восстановлении, соответственно увеличивается.

Расположение стека в памяти данных
Рис.9 Расположение стека в памяти данных

Программист должен самостоятельно определить местоположение стека в самом начале программы. С точки зрения максимальной его глубины, вершину стека нужно поместить в самом конце SRAM, как это показано на рис.9:

Константа RAMEND из стандартного заголовочного файла m8def.inc имеет значение адреса последней ячейки SRAM.

В диапазоне адресов SRAM между РВВ и текущим положением SP размещаются переменные прикладной программы. Поэтому очень важно предварительно оценить максимальный размер стека (глубину стека). Может случиться так, что вершина стека поднимется слишком высоко и начнет “затирать” пользовательские данные, а это одна из самых сложно-выявляемых ошибок!

Стек AVR, помимо сохранения адресов возврата, имеет еще одно очень важное предназначение. Он позволяет сохранять любые данные специально предназначенными для этого командами push Rr (загрузка в стек) и pop Rd (выгрузка из стека). Каждый раз при выполнении push Rr содержимое Rr копируется в стек, после чего SP уменьшается на единицу. При выполнении pop Rr содержимое ячейки стека, на которую указывает SP, восстанавливается в Rr, а само значение SP инкрементируется. Стек подобного рода имеет организацию Last In First Out (Последний Вошел Первый Вышел): регистр, сохраненный последней командой push, будет восстановлен первой командой pop:

Через стек очень просто можно обменять содержимое регистров местами:

Пример работы стека
Рис.10 Пример работы стека

На рис.10 приведен небольшой фрагмент кода, в котором пошагово рассмотрен процесс изменения стека при входе и выходе из подпрограммы toggle и сохранении и восстановлении регистра R17. Это типичный пример, где могут понадобиться инструкции push/pop. Подпрограмма toggle использует РОН R17 в своих нуждах, но этот- же регистр может использоваться и в ходе основной программы. Поэтому, во избежание повреждения данных, R17 перед модификацией загружается в стек и восстанавливается из него перед командой ret.

У некоторых устаревших моделей ATtiny отсутствует SRAM. Поэтому стек таких микропроцессоров имеет совсем другое устройство. Он реализован аппаратно в виде недоступной для программиста области памяти. Глубина стека – всего три уровня вложения, что, соответственно, позволяет вызвать не более трех подпрограмм. Аппаратный стек не предназначен для сохранения данных.

Перейти к следующей части: Прерывания

Котов Игорь Юрьевич Опубликована: 2012 г. 0 0

Что такое стек и зачем он нужен на примере msp430

Profile picture for user lamazavr

При освоении программирования, рано или поздно, возникает вопрос: «Что такое стек?«.
Наиболее наглядным способом объяснения я считаю программу на языке ассемблера (не пугайтесь), которая просто добавляет данные в стек.

Стек — это структура данных присущая всей программируемой технике. Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю. Часто стек называют магазином — по аналогии с магазином в огнестрельном оружии (стрельба начнётся с патрона, заряженного последним).

Зачем все это нужно?

Вы вряд ли сможете написать программу, которая не будет использовать функции (подпрограммы). При вызове функции в стек копируется адрес для возврата после окончания выполнения данной подпрограммы. По окончании её выполнения адрес возвращается из стека в счетчик команд и программа продолжает выполняться с места после функции.
Также в стек необходимо помещать регистры, которые используются в данной подпрограмме (в языках высокого уровня этим занимается компилятор).
Все вышесказанное характерно для так называемого аппаратного стека. Надеюсь вы догадываетесь, что такая структура данных (LIFO — last in, first out) полезна далеко не только при работе на низком уровне. Часто возникает необходимость хранить данные в таком порядке (например известный алгоритм разбора арифметических выражений основан на работе со стеком), тогда программисты реализуют программный стек.

Как это работает?

Давайте разберем работу со стеком на примере контроллеров семейства MSP430. Я выбрал их только из-за того что у меня оказалась установленной среда для работы с ними.
В MSP430 стек основан на предекрементной схеме. Т.е. перед тем как вы записываете данные в стек он уменьшает адрес вершины стека (верхней тарелки). Бывает также постдекрементный/постинкрементный (вычитание/добавление вершины стека происходит после записи данных) и прединкрементный (перед записью адрес вершины увеличивается).
Если стек увеличивает свой адрес при записи данных, говорят о стеке растущем вверх, если же уменьшает — вниз.
За хранения адреса вершины стека отвечает регистр SP.

Регистры MSP430

Как видите адрес вершины по умолчанию у нас 0x0A00.

Рассмотрим вот такую программу:

Что делает эта программа?

Командой PUSH мы помещаем данные 0123h в стек. Казалось бы этой командой мы запишем 0123h в память по адресу 0x0A00, но мы ведь помним, что стек у нас предекрементный. Поэтому сначала адрес уменьшается на 2 (0x0A00 — 2 = 0x09FE) и в ячейку с полученным адресом записываются данные.

Вот так выглядела память изначально:

Память MSP430

После выполнения команды PUSH (красным выделены изменения):

Память MSP430

Итак данные записались.
Проверим так ли это выполнив две команды пересылки (mov). Сначала получим данные из ячейки 0x0A00 и запишем их в регистр R5, а затем запишем в регистр R6 данные из ячейки 0x09FE.
После этого в регистрах будет данные:

Регистра с данными из стека MSP430

Далее запишем еще два числа в стек, после чего будем из доставать при помощи команды POP.
После выполнения ещё двух команд PUSH память в стеке будет выглядеть так:

Память с данными стека MSP430

При выполнении команд POP вершина стека будет увеличиваться на 2 при каждой команде, а в регистры R8-10 попадут данные: 0x0000, 0x9250 и 0x0123 соответственно.
При добавлении других данные память (которая все еще содержит данные, выведенные из стека) будет заполнена новыми значениями.

Проиллюстрировать работу со стеком можно так (слева на право):

Стек MSP430

Изначально адресом стека был 0x0A00, в нем хранились 0000. При выполнении PUSH верхушкой стека стала ячека ниже (с адресом 0x09FE) и в неё записались данные. С каждой следующей командой верхушка находиться ниже в памяти.
При выполнении команды POP картина обратная.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.