在MAXQ2000數(shù)據(jù)存儲器中實現(xiàn)軟堆棧

摘要：本應用筆記介紹了匯編應用中在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)實現(xiàn)軟堆棧的簡單方法。該方法使用了MAXQ2000和其他基于MAXQ20的微控制器。采用了MAX-IDE的宏預處理特性，在Maxim的MAXQ?系列工程應用開發(fā)和調試環(huán)境中編寫了實例代碼。

引言

MAXQ2000微控制器與Maxim的RISC微控制器系列MAXQ器件一樣，都是基于MAXQ20內(nèi)核?；贛AXQ20的微控制器通?？蓪崿F(xiàn)一個16位寬硬堆棧，其深度固定不變(MAXQ2000為16)，存儲在與數(shù)據(jù)和程序空間分開的專用內(nèi)部存儲器中。通過子程序調用和中斷，這一硬堆?？捎糜诒４婧突謴臀⒖刂破鞯牟僮鳡顟B(tài)。

雖然非常適合緊湊型應用，但是在規(guī)模較大的匯編應用中，使用深度嵌套的子程序(或者使用了在堆棧中保存和恢復多個工作寄存器的子程序)，硬堆棧會很快耗盡空間。利用數(shù)據(jù)存儲器中的“軟堆棧”，以C編程語言(使用IAR的Embedded Workbench?等編譯器)或者Rowley Associates的Crossworks for MAXQ編寫應用程序可避免這一問題。(關于這些開發(fā)工具的詳細信息，請參考：開發(fā)工具)。這一軟堆棧存儲子程序的調用/返回地址以及本地工作變量。然而，MAXQ20內(nèi)核沒有內(nèi)置機制來定位數(shù)據(jù)存儲器中的堆棧，這些數(shù)據(jù)存儲器只用在匯編應用中。

本應用筆記介紹了匯編應用中在數(shù)據(jù)存儲器中實現(xiàn)軟堆棧的簡單方法。應用筆記中的代碼可以用于MAXQ2000和其他基于MAXQ20的微控制器。采用了MAX-IDE的宏預處理特性，在Maxim的MAXQ系列工程應用開發(fā)和調試環(huán)境中編寫了實例代碼。

可以免費下載MAX-IDE環(huán)境最新的安裝包和文檔：

• MAX-IDE安裝(ZIP)
• MAXQ內(nèi)核匯編指南(PDF)
• 開發(fā)工具指南(PDF)

MAXQ20內(nèi)核中的硬堆棧工作

MAXQ20內(nèi)核使用了兩種不同類型的堆棧工作模式：

• PUSH工作(它包括操作代碼PUSH、LCALL和SCALL)被用于在堆棧中存儲數(shù)據(jù)。這些操作將堆棧指針SP預增1，然后，把數(shù)據(jù)存儲在SP指針(@SP)指向的堆棧位置。
• POP工作(它包括操作代碼POP、POPI、RET和RETI)被用于從堆棧中恢復數(shù)據(jù)。這些操作從SP指向的堆棧位置恢復數(shù)據(jù)，然后，將堆棧指針減1。

硬堆棧的一項主要功能是在調用子程序時保存并恢復地址，因此，堆棧含有16位(字)位置。這一位寬支持在一次push或者pop操作中保存或者恢復16位指令指針(IP)寄存器。盡管可以使用PUSH或者POP在堆棧中保存或者恢復8位寄存器(例如，AP)，但每一堆棧操作總是使用整個16位字。

除了利用堆棧的各種操作代碼之外，還有兩種其他的情況，在這些情況下，微控制器自動使用硬堆棧：

• 當處理中斷時，開始執(zhí)行中斷服務程序(中斷矢量寄存器IV所指)之前，當前程序執(zhí)行點被推入堆棧。
• 當調用某些調試命令(例如，讀寄存器和寫數(shù)據(jù)存儲器)時，需要執(zhí)行完程序ROM中的代碼，在控制被傳送給程序ROM之前，當前的執(zhí)行點被推入堆棧。一旦執(zhí)行完程序ROM中的調試程序，執(zhí)行點從堆棧中彈出，恢復處理器以前的狀態(tài)。

找到中斷服務程序或者執(zhí)行調試器命令總是需要使用硬堆棧。由于這一行為嵌入在硬件中，因此，無法避開這一問題。然而，對于更常用的PUSH/POP和CALL/RET指令對，可以采用軟堆棧。

注意，當以下任一堆棧錯誤狀態(tài)出現(xiàn)時，MAXQ2000 (和其他的基于MAXQ20內(nèi)核的器件一樣)并不支持任何錯誤探測或者報警：

• 堆棧上溢：將數(shù)值推入已經(jīng)滿的堆棧時發(fā)生。這一錯誤導致堆棧中最早的數(shù)值被覆寫。
• 堆棧下溢：從空堆棧中彈出數(shù)值時發(fā)生。這一錯誤導致返回無效數(shù)據(jù)值。例如，如果堆?？諘r執(zhí)行RET，執(zhí)行后將返回一個不正確的(有可能是隨機的)地址。

在數(shù)據(jù)存儲器中建立一個軟堆棧

在數(shù)據(jù)存儲器中建立一個軟堆棧的第一步是定義要使用數(shù)據(jù)存儲器的哪一部分。然后，必須定義跟蹤堆棧頂當前位置的數(shù)據(jù)存儲器指針(DP[0]、DP[1]或者BP[Offs])。注意：應用軟件不會出于其他目的使用堆棧專用數(shù)據(jù)存儲器(例如，變量或者緩沖)。

定義并初始化這類軟堆棧的一種簡單方法涉及到BP[Offs]寄存器對和一個公式。

SS_BASE  equ  0100h

ss_init:
   move    DPC,  #1Ch        ; Set all pointers to word mode   
   move    BP,   #SS_BASE    ; Set base pointer to stack base location
   move    Offs, #0          ; Set stack to start
   ret

如果基指針(BP)寄存器被設置在SS_BASE位置，那么，可以采用Offs寄存器指向堆棧的當前頂部。由于Offs寄存器只有8位寬，硬件會自動把堆棧限制在數(shù)據(jù)存儲器的范圍內(nèi)(BP .. (BP+255))。如果當Offs等于255 (上溢)時出現(xiàn)推入，或者Offs等于0 (下溢)時出現(xiàn)彈出，那么，Offs寄存器只會限制在堆棧的另一端。這一行為模仿硬堆棧工作方式，支持簡單的軟堆棧實現(xiàn)；它不探測下溢和上溢狀態(tài)。

在使用軟堆棧前，主程序必須調用ss_init例程。它將BP[Offs]指針設置為字模式，由于軟堆棧以16位寬堆棧實現(xiàn)，因此，必須完成這一步。它還將BP[Offs]寄存器對指向堆棧開始。

軟堆棧工作

不能重新定義使用堆棧的內(nèi)置操作代碼(PUSH、POP、CALL、RET等)以使用軟堆棧，這是因為這些代碼意味著MAXQ匯編器的硬線連接。而且，還有可能需要在應用程序中的某些部分使用標準硬堆棧，例如，中斷服務例程等。出于這些原因，由復制標準操作代碼的宏來訪問軟堆棧。

mpush  MACRO  Reg
   move    @BP[++Offs], Reg  ; Push value to soft stack
endm

mpop   MACRO  Reg
   move    Reg, @BP[Offs--]  ; Pop value from soft stack
endm

mcall  MACRO  Addr
LOCAL  return
   move    @BP[++Offs], #return   ; Push return destination to soft stack
   jump    Addr
return:
endm

mret   MACRO
   jump    @BP[Offs--]       ; Jump to popped destination from soft stack
endm

下面將討論這些宏是怎樣工作的。

mpush

該宏的使用方式和PUSH操作代碼相同。它支持將8位或者16位寄存器，或者將立即值推入堆棧。

   mpush   A[0]              ; Save the value of the A[0] register
   mpush   A[1]              ; Save A[1]
   mpush   A[2]              ; Save A[2]

   ...                       ; code which destroys A[0]-A[2]

   mpop    A[2]              ; Restore the value of A[2] (pop in reverse order)
   mpop    A[1]              ; Restore A[1]
   mpop    A[0]              ; Restore A[0]

mpop

該宏的使用方式和POP操作代碼相同。它支持從堆棧中裝入8位或者16位寄存器，如上所示。注意，如果推入了一個16位值，該值彈入到一個8位寄存器中，那么，只有低位字節(jié)被存儲在寄存器中。高位字節(jié)丟失。這與內(nèi)置硬堆棧的方式一致。

subroutine:
   mpush   A[0]              ; Save the current value of A[0]
   
   ...                       ; Code which destroys A[0]

   mpop    A[1]              ; Restore A[0]
   mret

mcall

mret

mcall宏的使用方式和CALL操作代碼執(zhí)行子程序相同。一旦執(zhí)行完成，子程序必須使用mret宏(而不是標準RET操作代碼)才能返回。

   mcall   mySub

   ...

mySub:
   mpush   A[0]              ; Save A[0]
   mpush   A[1]              ; Save A[1]
   ...                       ; Perform calculations, etc.
   mpop    A[1]
   mpop    A[0]
   mret

擴展軟堆棧的大小

某些應用程序需要大于256級的軟堆棧。使用其他數(shù)據(jù)指針(DP[0]或者DP[1])之一可以實現(xiàn)任意大小的堆棧(最大達到數(shù)據(jù)存儲器的上限)。

SS_BASE  equ  0000h
SS_TOP   equ  01FFh

ss_init:
   move    DPC,   #1Ch       ; Set all data pointers to word mode
   move    DP[0], #SS_BASE   ; Set pointer to stack base location
   ret

上面的代碼存儲在數(shù)據(jù)存儲器的0000h至01FFh，因此，產(chǎn)生的堆棧可以保持511級。(沒有使用堆棧存儲器空間中的某一位置；這樣可以更有效，以更短的代碼實現(xiàn)mpush/mpop/mcall/mret宏。)

只改變數(shù)據(jù)指針，而代碼中的其他部分保持不變可以擴展堆棧。雖然如此，由于DP[0]并沒有限制在數(shù)據(jù)存儲器的一定范圍內(nèi)，因此，沒有措施來防止推入或者彈出操作使DP[0]增加或者減小導致超出所指定的軟堆棧邊界。為避免這一點，可以加入簡單的下溢/上溢檢查。

加入下溢和上溢檢查

為保持宏(每次使用時擴展為代碼)盡量短，在子程序中完成下溢和上溢檢查，使用硬堆棧，由宏調用子程序。

mpush  MACRO  Reg
   call    ss_check_over     ; Check for possible overflow
   move    @++DP[0], Reg     ; Push value to soft stack
endm

mpop   MACRO  Reg
   call    ss_check_under    ; Check for possible underflow
   move    Reg, @DP[0]--     ; Pop value from soft stack
endm

mcall  MACRO  Addr
LOCAL  return
   call    ss_check_over     ; Check for possible overflow
   move    @++DP[0], #return ; Push return destination to soft stack
   jump    Addr
return:
endm

mret   MACRO
   call    ss_check_under    ; Check for possible underflow
   jump    @DP[0]--          ; Jump to popped destination from soft stack
endm

ss_check_under:
   push    A[0]
   push    AP
   push    APC
   push    PSF   

   move    APC, #80h         ; Set Acc to A[0], standard mode, no auto inc/dec
   move    Acc, DP[0]        ; Get current value of stack pointer
   cmp     #SS_BASE
   jump    NE, ss_check_under_ok
   nop                       ; < Error handler should be implemented here >
ss_check_under_ok:
   pop     PSF
   pop     APC
   pop     AP
   pop     A[0]
   ret

ss_check_over:
   push    A[0]
   push    AP
   push    APC
   push    PSF   

   move    APC, #80h         ; Set Acc to A[0], standard mode, no auto inc/dec
   move    Acc, DP[0]        ; Get current value of stack pointer
   cmp     #SS_TOP
   jump    NE, ss_check_over_ok
   nop                       ; < Error handler should be implemented here >
ss_check_over_ok:
   pop     PSF
   pop     APC
   pop     AP
   pop     A[0]
   ret

上面的代碼導致在推入或者彈出(或者call，或者ret)操作之前檢查當前的堆棧位置。如果探測到下溢或者上溢錯誤，不同的應用程序有不同的響應。一般情況下，這類錯誤只會出現(xiàn)在應用程序開發(fā)階段；如果代碼編寫正確，不會出現(xiàn)這類錯誤。如果的確出現(xiàn)了錯誤，一般將其考慮為重大錯誤，就像使用硬堆棧時出現(xiàn)下溢/上溢錯誤。對這類錯誤可能的響應包括暫停，發(fā)送錯誤消息，或者閃爍LED。在開發(fā)階段，一個好的方法是兩個程序中的每一個都在MAX-IDE中設置斷點(例如，在“Error handler should be implemented here”行中)，如果出現(xiàn)下溢或者上溢，立即發(fā)出反饋。

但是，應用程序有時候也可以從堆棧下溢或者上溢中恢復(例如，重新裝入和從頭重新啟動應用程序子任務)。在這種情況下，需要簡單地設置一個標志，指示出現(xiàn)了堆棧錯誤?？蛇x的這類標志包括位于PSF寄存器中的兩個通用標志(GPF0和GPF1)。由于有兩個位標志，因此，其中一個可以用于指示上溢，另一個用于指示下溢。

結論

MAX-IDE強大的宏預處理功能實現(xiàn)了MAXQ2000以及其他MAXQ20微控制器數(shù)據(jù)存儲器軟堆棧的直接替換。這一軟堆棧使子程序更加模塊化，可重復使用，有助于大規(guī)模匯編應用程序的開發(fā)。堆棧還支持堆棧錯誤的探測。