堆栈堆栈，「堆」和「栈」
经过无数技术书籍，以及各类技术博主苦口婆心的提醒，恐怕没几个人会再把堆和栈混为一谈，精明的开发者都明白，堆栈堆栈，「堆」和「栈」是不同的两种数据结构，具有各自的内存分配和使用方式。
众所周知，栈由编译器自动分配释放，堆由程序员手动分配释放，栈存放函数形参、局部变量，堆内存申请了记得释放……诸如此类，老生常谈。众所不周知，在不同的体系结构、裸机/操作系统下，堆栈在内存中的分配方式、内存布局、空间大小、存储内容也存在差异。
本文以 STM32 系列芯片（Cortex-M3 内核）和 RT-Thread 操作系统为例，梳理嵌入式开发过程中，与 MCU 堆栈有关的概念，然而堆栈涉及的知识太多，本文只侧重从内存分布角度阐述，帮助读者整体把握相关技术。
程序为什么需要堆栈
堆栈是程序访问内存的一种方式。
程序员在编程处理应用数据时，往往要使用大块连续的内存空间。程序指令在执行运算的过程中，也有大量中间结果需要临时保存，显然这些数据都是存放在内存当中，堆和栈便提供了这样一种机制：将内存分类管理，提供不同的访问方式。
堆和栈的使用更具体表现为，编程中使用的 malloc() 函数从堆内存分配空间，利用指针数组或内存函数使用。程序编译后所包含的大量 PUSH 和 POP 指令操作，系统根据 SP（堆栈指针） 寄存器访问当前对应栈内存，通过栈保存临时数据。堆和栈在内存中的具体位置，是接下面篇幅中讨论的重点。
当然，内存空间只是连续字节数据的抽象，本身并不区分堆和栈的概念，它做的只是存储和读写信息。因此，如何定义堆栈、初始化建立堆栈环境，在嵌入式软件运行前便显得尤为重要。这涉及到处理器提供的堆栈机制、操作系统内存管理和进程切换等方方面面。
程序内存布局
在芯片内部存储器中，包含了代码、数据、堆栈等信息，存放在 Flash 和 SRAM 当中，这里有必要说明一下众多内存类型的地址空间分布，其中包含我们的主角 —— 堆栈。倒也不复杂，只需要一张图就能表示清楚：
从图中可以看出，随着存储器地址的增长，依次对应 Flash 和 SRAM，Flash 中存放程序代码，SRAM 又可以分为数据区、堆区和栈区，接下来将详细介绍系统堆栈与内存布局之间的联系。
系统双堆栈机制
《Cortex-M3 权威指南》 12.1 节中，介绍了 M3 的双堆栈机制：
CM3 的出现，让单片机业界也能出双枪李向阳。 v7-M 架构的一个重要能力，就是提供了这个双堆栈的设计，允许把用户应用程序的堆栈与特权级/操作系统内核(kernel)的堆栈分开。如果再辅以 MPU，还能进一步地阻止用户程序访问内核的堆栈，同时也消除了内核数据被破坏的可能。
换句话说，在搭载实时操作系统内核的嵌入式软件中，栈往往分为两大类，除了满足系统基本的主栈（main stack）外，往往还需要进程/线程栈（process stack）。这两部分内存空间是独立存在的：主栈位于系统的栈区（stack）,而线程堆栈往往定义在堆区（heap）或静态区（static），理解这一点，是理解 MCU 堆栈的关键前提。
查询寄存器定义得知，R13 为堆栈指针寄存器，底层实际分为 MSP 和 PSP —— 存放栈顶指针，分别对应主堆栈和线程堆栈，并且在同一时刻，只有其中的一个栈可用。在系统复位后、进入线程环境前，默认使用主堆栈，中断服务程序（ISR）中也是使用主堆栈。RTOS 各线程中的应用代码，则使用线程堆栈。
上电后，系统仅初始化了 MSP，需要通过额外的汇编代码建立完整的双堆栈系统，当实时内核准备就绪，线程调度正常运行，双堆栈机制开始工作。进中断时系统根据当前状态自动切换堆栈，进程上下文切换时会更新不同线程的 PSP，通过修改 EXC_RETURN（我也不知道是个啥）可以手动切换 MSP/PSP。
双堆栈机制使得内核/ISR 堆栈和线程应用堆栈分开管理，通过不同的堆栈指针寄存器完成切换，大大提高了系统的效率，在绝大部分的嵌入式实时操作系统中，都使用了双堆栈机制，如 ucos、FreeRTOS、RT-Thread 等。
注：在一些简单的应用中，例如裸机程序，可以从头到尾都只使用主堆栈，只要确保分配足够的空间即可。
主栈（main stack）
启动文件相关配置
主堆栈系统中最基本的栈，也是上电复位后默认使用的第一个栈。主栈在汇编启动文件中指定大小、分配空间：
; startup_stm32f405xx.s
...
Stack_Size EQU 0x00000400
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
...
上述代码中，使用 SPACE 汇编指示字，开出了 1024 字节的内存空间，起始地址为 Stack_Mem，结束地址为 __initial_sp。结束地址会作为栈顶，被定义在向量表前的零地址起始处，这是因为 CM3 复位序列规定，在离开复位状态后， CM3 做的第一件事就是从地址 0x00000000 处取出 MSP 的初始值：
; startup_stm32f405xx.s
...
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
...
主栈位于栈区
关于 Stack_Mem 和 __initial_sp 两个符号的更多信息，可以从 Keil 工程的 map 文件中获取。以基于 stm32f401re、运行 RT-Thread 操作系统的工程为例，map 文件中 Local Symbols 符号表的结尾部分体现了以上符号的内存属性。
图中存储器地址从上往下递增，依次为数据、堆区和栈区，和前面「程序内存布局」一节中图片一致。一个非常重要的信息是：Stack_Mem 代表的主栈空间，位于系统的栈区，其起始地址紧接着堆区结尾，大小为 1024 字节（由启动文件的 Stack_Size 指定）。
经过上述分析可以得到结论：系统的栈区就是指主栈，大小由启动文件指定。
线程栈（process stack）
线程栈功能同主栈一样，在运行线程环境中代码时使用，在 RTOS 下开发应用程序需密切关注。
RT-Thread 中创建线程有两种方式，静态初始化和动态创建，分别对应 rt_thread_init()、rt_thread_create() 接口。这两个接口都要求调用者提供线程栈的信息，初始化线程需要提供静态内存空间（通常为全局数组形式）及线程栈大小，动态创建只需传入栈大小，由系统动态分配空间。
通过查看源码文件 thread.c 可以证实这一点：
// thread.c
rt_thread_t rt_thread_create(const char *name,
void (*entry)(void *parameter),
void *parameter,
rt_uint32_t stack_size,
rt_uint8_t priority,
rt_uint32_t tick)
{
struct rt_thread *thread;
void *stack_start;
thread = (struct rt_thread *)rt_object_allocate(RT_Object_Class_Thread,
name);
if (thread == RT_NULL)
return RT_NULL;
stack_start = (void *)RT_KERNEL_MALLOC(stack_size); // 动态分配线程栈空间
if (stack_start == RT_NULL)
{
/* allocate stack failure */
rt_object_delete((rt_object_t)thread);
return RT_NULL;
}
...
}
// rtdef.h
/* kernel malloc definitions */
#ifndef RT_KERNEL_MALLOC
#define RT_KERNEL_MALLOC(sz) rt_malloc(sz)
#endif
使用静态方式创建线程，线程栈内存由程序员提前准备，通常使用全局数组，此时线程栈内存位于数据段。若使用动态创建，线程栈在 rt_thread_create() 内部通过 malloc() 分配。这和普通应用程序申请内存一样，由操作系统内存管理算法在堆区分配。
无论是静态还是动态创建，线程栈都不会占用栈区的主栈空间。即线程栈并不在栈区，可能在数据区或堆区，再次说明主栈和线程栈内存空间独立。
栈内存分布与验证
为了进一步加深理解，考虑以下四种情况的堆栈内存分布：
- 裸机单堆栈（主栈）
- 两个动态线程的双堆栈系统
- 两个静态线程的双堆栈系统
- 一个静态一个动态线程的双堆栈系统
基于文章前半部分假设，主栈位于栈区，线程栈根据创建方式，分配在数据段或堆区。使用 Windows 自带灵魂画图工具，制作堆栈内存分布图示：
在使用动态创建线程的程序中，线程栈分配在堆区，使用一小段代码便能验证这一点：
int main(void)
{
int a = 1234;
rt_kprintf("&a = %p\r\n", &a);
rt_kprintf("HEAP_BEGIN: %p, HEAP_END: %p\r\n", HEAP_BEGIN, HEAP_END);
return RT_EOK;
}
目的在于对比局部变量 a 的地址（局部变量在栈内存分配）和堆区起始、结束地址（系统宏定义）大小关系，运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 4.0.1 build Mar 19 2020
2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
lwIP-2.0.2 initialized!
[I/WLAN.dev] wlan init success
[I/WLAN.lwip] eth device init ok name:w0
[I/WLAN.dev] wlan init success
[I/WLAN.lwip] eth device init ok name:w1
rw007 sn: [rw0072795b244009948]
rw007 ver: [1.2.9-daeedc69-28654]
&a = 2000f1f8
HEAP_BEGIN: 2000e970, HEAP_END: 20018000
msh >
msh >
显然，a 的地址 2000f1f8 位于 HEAP_BEGIN 2000e970 和 HEAP_END 20018000 之间，证实了我们前面的结论。
总结
堆栈是程序运行的基础设施，按理说只要有一个够大的主栈，对裸机程序也足够了。操作系统本身作为一个特殊的「裸机程序」，为了实现多任务，也需要管理不同线程的栈内存。硬件平台提供的双堆栈支持，很大程度上就是在适应 OS 的实现，两者相辅相成，形成更高效可靠的嵌入式系统。
文章将近结尾，而关于双堆栈机制的讨论还有很多内容，包括 MSP、PSP 对应的系统状态和特权等级、不同栈指针的切换和栈溢出保护等等等等，相对于这些硬核知识，本文只是简单从内存分布角度，让读者对双堆栈机制有大体感性认识。
正所谓，抛砖引玉领进门，修行还得靠个人。
参考资料
