深入分析MCU堆栈的作用，以及该如何设置堆栈大小

前段时间分享文章《**从嵌入式编程中感悟「栈」为何方神圣？**》之后，很多朋友问了关于堆栈的问题。今天就写点相关内容，让大家进一步了解堆栈的知识。

1. 引言

我们都知道，堆栈是存储在RAM中的。现在的微控制器（MCU）的RAM相对来说比较大（几十上百K），所以分配给堆栈的空间也足够大。因此，很多人并没有关注堆栈的大小问题。

然而，在过去，微控制器的RAM非常有限，甚至不到1K的大小。因此，过去的工程师更加关注堆栈的大小问题。

对于一个小型项目来说，我们可能并不需要关注堆栈的大小。

但是，如果项目规模变大，那么你就需要关注了，因为堆栈大小设置不合理可能会导致故障。

想要确定堆栈的合适大小，你需要理解堆栈的作用。接下来，我将带大家进一步了解堆栈。

2. 关于堆栈的基础知识

首先，让我们看一下两个经典的知识点。

1. 程序的内存分配

一个由C/C++编译的程序占用的内存可以分为以下几个部分：

• 栈区（stack）：由编译器自动分配和释放。栈区用于存储函数的参数值、局部变量的值等。它的操作方式类似于数据结构中的栈。

• 堆区（heap）：通常由程序员手动分配和释放。如果程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。需要注意的是，堆区与数据结构中的堆是两个不同的概念，堆区的分配方式类似于链表。

• 全局区/静态区（static）：全局变量和静态变量的存储位置是相同的。初始化的全局变量和静态变量存储在一个区域，而未初始化的全局变量和静态变量存储在相邻的另一个区域。程序结束后，系统会释放这些区域的内存。

• 文字常量区：用于存放常量字符串。程序结束后，系统会释放这些区域的内存。

• 程序代码区：用于存放函数体的二进制代码。

2. 经典示例程序

int a = 0;              //全局初始化区
char *p1;               //全局未初始化区
main()
{
  int b;                //栈
  char s[] = "abc";     //栈
  char *p2;             //栈
  char *p3 = "123456";  //123456\0在常量区，p3在栈上。
  static int c =0；//全局（静态）初始化区
  p1 = (char *)malloc(10);
  p2 = (char *)malloc(20);   //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
  strcpy(p1, "123456");      //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

3结合STM32的开发讲述堆栈

从上面的描述可以看得出来，在代码中是如何占用堆和栈的。

可能很多人还是无法理解，这里再结合STM32的开发过程中与堆栈相关的内容来进行讲述。

1.如何设置STM32的堆栈大小？

这个问题在文章《STM32的启动流程到底是怎样的？》中，讲述了在MDK-ARM、IAR EWARM，以及使用STM32CubeMX设置堆栈大小的方法。

2.栈（Stack）

STM32F1默认设置值0x400，也就是1K大小。

Stack_Size    EQU     0x400

函数体内局部变量：

void Fun(void)
{
  char i;
  int Tmp[256];
  //...
}

局部变量总共占用了256*4 + 1字节的栈空间。

所以，在函数内有较多局部变量时，就需要注意是否超过我们配置的堆栈大小。

函数参数：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

这里要强调一点：传递指针只占4字节，如果传递的是结构体，就会占用结构大小空间。

提示：在函数嵌套,递归时，系统仍会占用栈空间。

3.堆（Heap）

Heap_Size      EQU     0x200

默认设置0x200（512）字节。

我们大部分人应该很少使用malloc来分配堆空间。

虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问，但是，如果忘记了释放堆内存，那么将会造成内存泄漏，甚至致命的潜在错误。

4拓展：MDK中RAM占用大小分析

经常在线调试的人，可能会分析一些底层的内容。这里结合MDK-ARM来分析一下RAM占用大小的问题。

在MDK编译之后，会有一段RAM大小信息：

这个大小为0x668，在进行在调试时，会出现：

这个MSP就是主堆栈指针，一般我们复位之后指向的位置，复位执向的其实是栈顶：

而MSP指向地址0x20000668是0x20000000偏移0x668而得来。

具体哪些地方占用了RAM，可以参看map文件中【Image Symbol Table】处的内容：

当然，关于map文件详细分析，可以看我系列教程《Keil系列教程12_map文件全面解析》。

关于堆栈，其实还有很多知识可以拓展，比如：堆栈入栈、出栈，向上、向下增长方式，大小端等。大家可以自己上网了解。

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