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KEILC51可重入函数及模拟栈浅析

  关键字:keilc51模拟堆栈可重入函数调用参数传递,C?XBP,C?ADDXBP

  摘要:本文较详细的介绍了keilc51可再入函数和模拟堆栈的一些概念和实现原理,通过一个简单的程序来剖析keilc51在大存储模式下可重入函数的调用过程,希望能为keilc51和在51系列单片机上移植嵌入式实时操作系统的初学者提供一些帮助。

  1、关于可重入函数(可再入函数)和模拟堆栈(仿真堆栈)

  “可重入函数可以被一个以上的任务调用,而不必担心数据被破坏。可重入函数任何时候都可以被中断,一段时间以后又可以运行,而相应的数据不会丢失。”(摘自嵌入式实时操作系统uC/OS-II)

  在理解上述概念之前,必须先说一下keilc51的“覆盖技术”。(采用该技术的原因请看附录中一网友的解释)

  (1)局部变量存储在全局RAM空间(不考虑扩展外部存储器的情况);

  (2)在编译链接时,即已经完成局部变量的定位;

  (3)如果各函数之间没有直接或间接的调用关系,则其局部变量空间便可覆盖。

  正是由于以上的原因,在Keil C51环境下,纯粹的函数如果不加处理(如增加一个模拟栈),是无法重入的。举个例子:

  在上面的代码中,TaskA与TaskB并不存在直接或间接的调用关系,因而它们的局部变量a与b便是可以被互相覆盖的,即它们可能都被定位于某一个相同的RAM空间。这样,当TaskA运行一段时间,改变了a后,TaskB取得CPU控制权并运行时,便可能会改变b。由于a和b指向相同的RAM空间,导致TaskA重新取得CPU控制权时,a的值已经改变,从而导致程序运行不正确,反过来亦然。另一方面,func()与TaskB有直接的调用关系,因而其局部变量b与c不会被互相覆盖,但也不能保证func的局部变量c不会与TaskA或其他任务的局部变量形成可覆盖关系。

  根据上述分析我们很容易就能够判断出TaskA和TaskB这两个函数是不可重入的(当然,func也不可重入)。那么如何让函数成为可重入函数呢?C51编译器采用了一个扩展关键字reentrant作为定义函数时的选项,需要将一个函数定义为可重入函数时,只要在函数后面加上关键字reentrant即可。

  与非可重入函数的参数传递和局部变量的存储分配方法不同,C51编译器为可重入函数生成一个模拟栈(相对于系统堆栈或是硬件堆栈来说),通过这个模拟栈来完成参数传递和存放局部变量。模拟栈以全局变量?C_IBP、?C_PBP和?C_XBP作为栈指针(系统堆栈栈顶指针为SP),这些变量定义在DATA地址空间,并且可在文件startup.a51中进行初始化。根据编译时采用的存储器模式,模拟栈区可位于内部(IDATA)或外部(PDATA或XDATA)存储器中。如表1所示:

表1

  注意:51系列单片机的系统堆栈(也叫硬件堆栈或常规栈)总是位于内部数据存储器中(SP为 8位寄存器,只能指向内部),而且是“向上生长”型的(从低地址向高地址),而模拟栈是“向下生长”型的。

  1、可重入函数参数传递过程剖析

  在进入剖析之前,先简单讲讲c51函数调用时参数是如何传递的。简单来说,参数主要是通过寄存器R1~R7来传递的,如果在调用时,参数无寄存器可用或是采用了编译控制指令“NOREGPARMS”,则参数的传递将发生在固定的存储器区域,该存储器区域称为参数传递段,其地址空间取决于编译时所选择的存储器模式。利用51单片机的工作寄存器最多传递3个参数,如表2所示。(该部分的详细解释可以参考Keil帮助文档中的《Parameters and Register》)

表二

  举两个例子:

  func1(int a):“a”是第一个参数,在R6,R7中传递;

  func2(int b,int c, int *d):“b”在R6,R7中传递,“c”在R4,R5中传递,“*d”则在R1,R2,R3中传递。

  至于函数的返回值通过哪些寄存器或是什么方法传递这里就不说了,大家可以看看c51的相关文档或是书籍。

  好了,接下来我们开始剖析一个简单的程序,代码如下:

  程序很简单,废话少说,下面跟我一起看看c51翻译成的汇编语言是什么样子的(大存储模式下large XDATA)。

  说明:模拟栈指针最初在startup.a51中初始化为0xFFFF+1;由以上汇编代码可以看出参数是从右往左扫描的。

  接下来看看fun的汇编代码:(很长,大家耐心看吧,有些可以跳过的)

(个人说明:C?XBP 两字节,存在内部RAM的0x08(高字节)和0x09(低字节),改变这两个字节的值来实现指向外部不同的地址,模拟栈是向下生长的,栈指针不断的减小,而程序中的减1是通过加0xff来实现的。高8位字节相加时要考虑低8位的进位。)

说明:模拟栈结构如下

(个人认为上图中模拟栈结构j1和j2的地址颠倒了)

  接下来说明两个重点子函数C_ADDXBP和C_XBPOFF

(对于这两个函数个人理解的作用为:C_ADDXBP将参数一个一个的压入模拟栈,并为局部变量开辟了4个字节的存储空间,然后C_XBPOFF通过修改DPTR的值来访问这个模拟栈,此时模拟栈的指针的值一直不变,存在内部RAM0x08和0x09(低8位)两个位置)

  终于到尾声了,最后重点说明啦~~~

  模拟堆栈是向下生长的,C_XBP最初等于0xffff+1,那么请看下面这句

  其实是这样:加0xffff相当与减1,加0xfffe相当与减2,加0xfffd相当于减4。。。。。。为啥,就不用说了吧:)

  结束语:

  经过了几天的研究,终于写了个总结报告,算是自己的一点小小成就吧,错误之处在所难免,希望能够同大家一起讨论问题,共同进步。

  参考文献:

  1、徐爱钧,彭秀华 《单片机高级语言C51windows环境编程与应用》电子工业出版社 2001

  2、彭光红,构造一个51单片机的实时操作系统。

  附录:

  在其它环境下(比如PC,比如ARM),函数重入的问题一般不是要特别注意的问题.只要你没有使用static变量,或者指向static变量的指针,一般情况下,函数自然而然地就是可重入的.

  但C51不一样,如果你不特别设计你的函数,它就是不可重入的.

  引起这个差别的原因在于:一般的C编译器(或者更确切点地说:基于一般的处理器上的C编译器),其函数的局部变量是存放于堆栈中的,而C51是存放于一个可覆盖的(数据)段中的.

  至于C51这样做的原因,不是象有些人说的那样,为了节约内存.事实上,这样做根本节约不了内存.理由如下:

  1) 如果一个函数func1调用另一个函数func2,那么func1,func2的局部变量根本就不能是同一块内存.C51还是要为他们分配不同的RAM.这跟使用堆栈相比,节约不了内存.

  2) 如果func1,func2不是在一个调用链上,那么C51可以通过覆盖分析,让它们的局部变量共享相同的内存地址.但这样也不会比使用堆栈节约内存.因为既然它们是在不同的调用链上,那么当其中一个函数运行时,那么另外一个函数必然不在其生命期内,它所占用的堆栈也已释放,归还给系统.

  真实的原因(C51使用覆盖段作为局部变量的存放地的原因)是:

  51的指令系统没有一个有效的相对寻址(变址寻址)的指令,这使得使用堆栈作为变量的代价太过昂贵.

  使用堆栈存放变量的一般做法是:

  进入函数时,保留一段堆栈空间,作为变量的存放空间,用一个可作为基址寻址的寄存器指向这个空间,通过加上一个偏移量,就可以访问不同的变量了.

  例如: MOV EAX, [EBP + 14];X86指令

  LDR R0, [R12, #14];ARM指令

  都可以很好的解决这个问题.

  但51缺少这样的指令.

  *其实,51中还是有2个可变址寻址的指令的,但不适合访问堆栈的局部变量这样的场合.

  MOVC A, @A+DPTR

  MOVC A, @A+PC

  所以,C51有个特别的关键字: reentrant 用来解决函数重入的问题.。

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