淺談如何評估TI C2000系列微控制器程序的堆棧使用情況

實時控制器往往擁有十分有限的存儲器資源特別是片內的隨機存儲器（RAM）資源。能否合理、高效的運用這些資源不僅關乎到整個嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)成本與性能，更涉及到系統(tǒng)在運行時是否會出現(xiàn)致命且不易被發(fā)現(xiàn)的錯誤。本文將對C2000系列微控制器的棧 （亦習慣性的被稱為堆棧，這里請注意堆與棧之間的區(qū)別）做簡單的介紹，并提出四種方法來對應用程序運行所需的?？臻g大小進行追蹤或評估，以幫助開發(fā)者在開發(fā)過程中（尤其是使用C/C++高級語言進行開發(fā)時）優(yōu)化內存資源的使用并避免嵌入式程序可能存在的風險。

在計算機中，棧作為一種數(shù)據(jù)結構可以存放一系列的成員并且通過“入?！焙汀俺鰲！辈僮鱽韽臈６尤胄碌臄?shù)據(jù)或從棧頂拿走數(shù)據(jù)。從類別上來看堆棧通常又可以分為軟件堆棧和硬件堆棧兩類，前者時常經(jīng)由數(shù)組和鏈表在程序中實現(xiàn)而后者則與計算機架構相關并被用于實現(xiàn)內存的分配及訪問。

本文要討論的是C2000系列微控制器C28x內核中的硬件堆。該棧的典型特點為有一個固定的起始地址，或者說是寄存器復位值，和一個由編譯器指定的可變的棧空間大小。C28x內核的堆棧指針（stack point）寄存器SP是16位寄存器，且在使用時高16位保持為0，故可以訪問64K大小的內存空間。在芯片復位時，SP的內容變?yōu)?x00000400，且在使用時棧由低地址向高地址生長。堆棧的合法使用空間通常由編譯器命令--stack_size= size來設定，其中size是一個常數(shù)，指定了?？臻g的大?。ㄒ?6位字為單位），棧的空間不得超過實際非初始化物理內存區(qū)域.stack大小也不得超出0xFFFF范圍，否則將產(chǎn)生溢出。

一個嵌入式系統(tǒng)軟件常常會因為多種原因而需要使用堆棧，這些原因包括：存儲數(shù)學表達式的中間計算結果、在函數(shù)遞歸時存儲每一次調用的函數(shù)返回地址、存放函數(shù)內的局部變量、存放傳遞進函數(shù)的參數(shù)等。隨著軟件流程變得越來越龐大復雜，如何正確的評估所需的堆?？臻g就顯得十分重要。分配過多的堆?？臻g會“浪費”內存，堆棧溢出則可能造成堆棧信息丟失或者修改到鄰近內存區(qū)域的數(shù)據(jù)并最終導致系統(tǒng)出錯。

本文總結了四種適用于TI C2000系列MCU的堆棧使用評估方法，同時建議讀者在有條件的情況下使用多種方法交叉驗證以彌補單一方法使用過程中的局限性。這些方法通常情況下也適用于TI的其他部分嵌入式產(chǎn)品，對于其他各類嵌入式系統(tǒng)的堆棧測試、評估也有一定的借鑒意義。

一、使用TI提供的XML文件處理腳本生成函數(shù)調用圖并進行靜態(tài)分析

通過函數(shù)的調用關系可以靜態(tài)的分析堆棧的使用情況，TI提供了一套基于Perl的腳本工具可以用于分析工程build過程中產(chǎn)生的XML文件以提供程序空間使用相關的信息。這里筆者需要用到的是該工具包中的call_graph.pl腳本來生成函數(shù)調用圖（Call Graph）。

首先需要在wiki頁面中下載并安裝該工具包，可以在搜索引擎中檢索關鍵字“Code_Generation_Tools_XML_Processing_Scripts”

并找到對應的ti.com頁面進行下載安裝。對于不熟悉命令行操作的讀者可以按照以下三個步驟來使用該腳本。

1. 新建一個文件夾并以英文命名，并從CCS對應的C2000編譯器目錄拷貝odf2000.exe到該新建的文件夾中。（ofd2000.exe在C:ticcs901ccstoolscompilerti-cgt-c2000_18.12.1.LTSbin，路徑隨CCS版本、CCS安裝路徑及編譯器版本不同會有差異）同時還需要從cgxml工具路徑C:ticgxmlbin中拷貝call_graph.exe，從工程目錄拷貝編譯生成的.out文件到該文件夾中。

2. 打開命令行工具（可在windows開始菜單搜索“CMD”找到），在其中輸入如下命令選取上一步中新建的文件夾為工作目錄

cd C:ticgxmlutils

3. 在命令行中運行如下腳本獲取輸出結果，用戶需要自行修改.out文件的文件名使其與第一步中復制到文件夾中的.out同名。

ofd2000 -xg gpio_toggle_cpu01.out | call_graph --stack_max

此時用戶可以在命令行的輸出中看到最惡劣情況下的堆棧占用情況，此處，函數(shù)c_int00是函數(shù)調用圖的根，其調用在最大情況下會占用48個16位字的堆?？臻g。但是這樣的結果有兩點限制條件將在本節(jié)的末尾部分指出。

如果使用--stack_max參數(shù)則可以獲得更多的細節(jié)信息，具體的數(shù)據(jù)解讀方法請參閱安裝目錄下的文檔《call_graph.pdf》。

該方法簡單易用，但是對于非直接調用的函數(shù)以及相互嵌套的中斷服務，該工具則無法直接將其在腳本輸出結果中表現(xiàn)出來。此時需要使用者結合call_graph輸出的詳細信息，借助自己對于程序流程的理解，分析得到最終的堆棧評估結果。

二、使用回調函數(shù)在運行時抓取棧指針（SP）最大值

C2000較新版本的編譯器支持在函數(shù)的進入和退出過程中插入回調函數(shù)。開發(fā)者可以使--entry_hook選項為每個函數(shù)的開頭部分插入一段讀取堆棧指針（SP）的代碼并在一定周期的程序運行中對堆棧指針的最大值進行抽取與比較從而獲取統(tǒng)計學的極限堆棧使用情況。

以TI v18.12.2LTS Coder generation tool為例做一個測試，首先右擊打開工程屬性，并在“Advanced Options”中找到--entry_hook設置欄目，在后方的空格處輸入回調函數(shù)的函數(shù)名稱（以名為“entry_hook”的函數(shù)為例）。

之后可以在c文件中定義函數(shù)entry_hook，其中使用的SP_current及SP_max為事先聲明的int型全局變量。

void entry_hook(){

SP_current = getStackPointer();

SP_max = (SP_current > SP_max) ? SP_current : SP_max;

}

在該函數(shù)中使用了一小段匯編函數(shù)getStackPointer();用于獲取堆棧指針（SP）寄存器的值，該函數(shù)的定義為：

_getStackPointer:

.asmfunc

MOV AL, SP

SUB AL, #2

LRETR

.endasmfunc

測試前還需要在頭文件中對其做如下形式的函數(shù)聲明：

extern int getStackPointer(void);

在完成設置后重新build工程，并點擊CCS中的“Debug”按鈕進入在線調試狀態(tài)，此后可以進行全速運行。運行一段時間以后打開CCS的“View”，“Expressions”并點擊綠色加號“Add new expression”輸入變量名SP_max對最大堆棧占用情況進行觀察。

通過回調函數(shù)做堆棧指針的采樣統(tǒng)計不一定可以抓取到最極限的堆棧使用情況，實際的堆棧消耗會比用這種方法測量到的略大，因此筆者也提出了第三種測試方法。

三、在?？臻g填充標識數(shù)據(jù)以檢測?？臻g使用情況

方法三的思路是在堆?？臻g的特定內存區(qū)域中預先寫入標志性數(shù)據(jù)如（0x5A）。經(jīng)由程序的執(zhí)行，使用過的堆?？臻g內的數(shù)據(jù)會被其他數(shù)據(jù)覆蓋掉，從棧尾開始向低地址走的標志性數(shù)據(jù)則因其內存空間未被使用而得以保留不變，當然這一切的前提是堆棧不發(fā)生溢出。通過尋找被修改數(shù)組的最大地址即可以判斷出這一測試過程中程序實際所使用的最大堆棧規(guī)模。

該方法可以在連接仿真器的情況下進行堆棧占用情況的觀察，也可以在芯片脫離仿真器運行之后再連接入仿真器（通過設置使目標芯片在連接時不被復位）并通過“Memory Browser”進行結果觀察。該方法的準確性取決于軟件執(zhí)行的覆蓋程度。

四、使用ERAD外設模塊進行堆棧監(jiān)測

ERAD（embedded real-time analysis and diagnostic）模塊是F28004x系列MCU新增的外設，他獨立于C28x內核之外，具有8個總線比較器和4個檢測計數(shù)器子功能模塊。由于該模塊既可以被應用程序訪問也可以被仿真工具訪問因此能極大的增加調試的靈活性和便利性。

關于如何使用ERAD模塊進行堆棧監(jiān)控可以直接參考TI C2000ware軟件包自帶的范例程序，其參考位置為：C:tic2000C2000Ware_2_00_00_03driverlibf28004xexampleseradstack_overflow

其基本工作方式是對地址總線進行監(jiān)控并根據(jù)HWBP_CNTL寄存器的配置，將地址總線內容與HWBP_REF寄存器中的參考值以指定方式進行對比（大于、大于等于、小于、小于等于），最終在比較事件發(fā)生時觸發(fā)CPU的停止動作或生產(chǎn)RTOSINTn中斷。通過這種方式的多次運用可以把堆?？臻g的實際需求鎖定在一個區(qū)間內便于參考。

總結：本文結合工程開發(fā)和調試的實際經(jīng)驗，對常用的四種C2000 MCU程序堆?？臻g評估方法進行了總結，期待讀者在閱讀后能夠結合實際情況選擇一種或者多種方式確定出應用程序的堆棧需求并在工程屬性中進行合理的配置，以實現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。

審核編輯：郭婷