淺談如何評估TI C2000系列微控制器程序的堆棧使用情況

實(shí)時控制器往往擁有十分有限的存儲器資源特別是片內(nèi)的隨機(jī)存儲器（RAM）資源。能否合理、高效的運(yùn)用這些資源不僅關(guān)乎到整個嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本與性能，更涉及到系統(tǒng)在運(yùn)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(xí)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(yīng)用程序運(yùn)行所需的?？臻g大小進(jìn)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(jìn)行開發(fā)時）優(yōu)化內(nèi)存資源的使用并避免嵌入式程序可能存在的風(fēng)險。

在計算機(jī)中，棧作為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以存放一系列的成員并且通過“入棧”和“出?！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(shí)現(xiàn)而后者則與計算機(jī)架構(gòu)相關(guān)并被用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分配及訪問。

本文要討論的是C2000系列微控制器C28x內(nèi)核中的硬件堆。該棧的典型特點(diǎn)為有一個固定的起始地址，或者說是寄存器復(fù)位值，和一個由編譯器指定的可變的棧空間大小。C28x內(nèi)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(nèi)存空間。在芯片復(fù)位時，SP的內(nèi)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(shè)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(shí)際非初始化物理內(nèi)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?yàn)槎喾N原因而需要使用堆棧，這些原因包括：存儲數(shù)學(xué)表達(dá)式的中間計算結(jié)果、在函數(shù)遞歸時存儲每一次調(diào)用的函數(shù)返回地址、存放函數(shù)內(nèi)的局部變量、存放傳遞進(jìn)函數(shù)的參數(shù)等。隨著軟件流程變得越來越龐大復(fù)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(fèi)”內(nèi)存，堆棧溢出則可能造成堆棧信息丟失或者修改到鄰近內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)并最終導(dǎo)致系統(tǒng)出錯。

本文總結(jié)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(yàn)證以彌補(bǔ)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(diào)用圖并進(jìn)行靜態(tài)分析

通過函數(shù)的調(diào)用關(guān)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(guān)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(diào)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(guān)鍵字“Code_Generation_Tools_XML_Processing_Scripts”

并找到對應(yīng)的ti.com頁面進(jìn)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(yīng)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(yùn)行如下腳本獲取輸出結(jié)果，用戶需要自行修改.out文件的文件名使其與第一步中復(fù)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(diào)用圖的根，其調(diào)用在最大情況下會占用48個16位字的堆棧空間。但是這樣的結(jié)果有兩點(diǎn)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(xì)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(diào)用的函數(shù)以及相互嵌套的中斷服務(wù)，該工具則無法直接將其在腳本輸出結(jié)果中表現(xiàn)出來。此時需要使用者結(jié)合call_graph輸出的詳細(xì)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(jié)果。

二、使用回調(diào)函數(shù)在運(yùn)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(jìn)入和退出過程中插入回調(diào)函數(shù)。開發(fā)者可以使--entry_hook選項(xiàng)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(yùn)行中對堆棧指針的最大值進(jìn)行抽取與比較從而獲取統(tǒng)計學(xué)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(shè)置欄目，在后方的空格處輸入回調(diào)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(shè)置后重新build工程，并點(diǎn)擊CCS中的“Debug”按鈕進(jìn)入在線調(diào)試狀態(tài)，此后可以進(jìn)行全速運(yùn)行。運(yùn)行一段時間以后打開CCS的“View”，“Expressions”并點(diǎn)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(jìn)行觀察。

通過回調(diào)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(shí)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(biāo)識數(shù)據(jù)以檢測?？臻g使用情況

方法三的思路是在堆棧空間的特定內(nèi)存區(qū)域中預(yù)先寫入標(biāo)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(nèi)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(biāo)志性數(shù)據(jù)則因其內(nèi)存空間未被使用而得以保留不變，當(dāng)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?qū)嶋H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(jìn)行堆棧占用情況的觀察，也可以在芯片脫離仿真器運(yùn)行之后再連接入仿真器（通過設(shè)置使目標(biāo)芯片在連接時不被復(fù)位）并通過“Memory Browser”進(jìn)行結(jié)果觀察。該方法的準(zhǔn)確性取決于軟件執(zhí)行的覆蓋程度。

四、使用ERAD外設(shè)模塊進(jìn)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(shè)，他獨(dú)立于C28x內(nèi)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(yīng)用程序訪問也可以被仿真工具訪問因此能極大的增加調(diào)試的靈活性和便利性。

關(guān)于如何使用ERAD模塊進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控并根據(jù)HWBP_CNTL寄存器的配置，將地址總線內(nèi)容與HWBP_REF寄存器中的參考值以指定方式進(jìn)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(yùn)用可以把堆?？臻g的實(shí)際需求鎖定在一個區(qū)間內(nèi)便于參考。

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

審核編輯：郭婷