棧是一種具有先入后出特性的數據結構，前面說過，這種特性常常用來幫住我們“原理返回”或者“保持原樣”。試想，當我們第一次來到一個陌生的城市，走在陌生的街道上，尋找一個陌生的目標，最令我們有安全感的莫過于仔細記錄走過的每一個街道、穿過的每一個路口--這種安全感來源于潛意識里“萬一找不到目的地就原路返回”的想法。記得20世紀90年代，有一首家喻戶曉的流行歌曲《星星點燈》中曾這樣唱到“星星點燈...為迷失的孩子，照亮來時的路”。

“找到來時的路”這種想法是人們基本的求生本能，對有人類編寫的C語言編譯器來說，也是這樣--面對一層一層復雜嵌套關系的函數調用，編譯器總是試圖記錄下我們調用的過程，以便“找回回去的路”。棧就在這種場合中，得到了廣泛的應用。

C語言支持函數的調用，這完全得益于棧式分配策略的使用。所謂棧式分配，拋去復雜的技術細節(jié)，簡單說來，就是將函數內部使用的種種信息(例如，局部變量)在發(fā)生函數嵌套調用時，壓入棧中“記錄下所走過的路”。這樣，當調用的函數運行結束需要返回時，編譯器就能很容易從棧中找到“來時的路”。使用模擬的方法，我們來具體看看這一過程。

我們假設：一個函數中所有牽涉到的局部信息都被包含在一個與函數同名的接節(jié)點中。當我們在某一個函數中發(fā)生了對另外一個函數的調用，就將本函數的局部信息壓入棧中--也就是將以該函數命名的結點壓入棧中：當我們從某一函數中返回，就從棧中彈出一個結點。觀察一段代碼的函數調用情況，了解編譯器如何借助來實現函數的嵌套調用。

//這是一段演示用的偽代碼，包含了一些函數并設置了一些斷點便于觀察

//函數的細節(jié)已經省略，只保留了對其他函數的調用關系

//函數A

void FuncA(void)

{

//沒有任何針對其他函數的嵌套調用

/*斷點A1*/

}

//函數B

void FuncB(void)

{

...

FuncA();//調用了函數A

/*斷點B1*/

...

}

//函數C

void FuncC(void)

{

...

FuncB();//調用了函數B

/*斷點C1*/

FuncA();//調用了函數A

/*斷點C2*/

...

}

//主函數

void main(void)

{

...

/*在這里，我們設置一個程序斷點，稱為斷點1*/

FuncA();

/*斷點2*/

FuncB();

/*斷點3*/

FuncC()

/*斷點4*/

...

}

當程序運行到斷點1時，因為還沒有發(fā)生任何函數調用(我們假設測試環(huán)境中沒有使用到操作系統(tǒng)，因此不存在操作系統(tǒng)調用main函數的問題，也就是不存在將操作系統(tǒng)相關的內容壓入棧中的問題)，此時，棧是空的，如圖13-10(a)所示。

程序繼續(xù)運行，發(fā)生函數調用--FuncA(),并在其中遇到了斷點A1。因為此時發(fā)生了函數的調用，結點main被壓入棧中。此時只是一個結點，如圖13-10(b)所示。程序運行到斷點2，系統(tǒng)從函數FuncA()返回，因此，將結點main彈出，如圖13-10(c)所示。

繼續(xù)運行程序，直到再次遇到斷點A1。此時，棧中有兩個元素，從棧頂向下分別是FuncB、main。這說明，在此之前，發(fā)生了兩次調用：首先是main調用了FuncB，緊接著在FuncB中調用了FuncA，如圖13-11(a)所示。當我們遇到斷點B1時，程序已經從FuncA中返回，因此彈出了棧頂元素FuncA,如圖13-11(b)所示。經過斷點3時，結點main也被彈出，棧再次成為空棧，如圖13-11(c)所示。

當程序第三次執(zhí)行到斷點A1時，由于發(fā)生了三次函數調用，因此，棧中有三個結點FuncB,FuncA和main，如圖13-11(d)所示。再次經過斷點B1時，程序從函數FuncA中返回，因此彈出了棧頂元素FuncB,如圖13-11(e)所示。程序繼續(xù)執(zhí)行，從函數FuncB中返回遇到斷點C1時，結點FuncC被彈出，如圖13-11(f)所示。

從斷點C1向后執(zhí)行，調用函數FuncA第四次遇到斷點A1，結點FuncA再次被壓入棧中，如圖13-12(a)所示。程序從函數FuncA返回，經過斷點C2 時，彈出棧頂指針FuncA,如圖13-12(b)所示。當我們遇到斷點4時，程序已經回歸到主函數main()，棧中最后一個結點被彈出，稱為空棧，如圖13-12(c)所示。

通過上面的模擬，我們展示了C編譯器利用棧實現函數嵌套條用的原理。詳細情形大家可以參考編譯原理的相關內容，這里就不再深入。前面，我們知道，沒當發(fā)生一次函數調用，編譯器都要保存當前的相關信息。這一信息至少包括兩大部分：其一，用于描述程序從函數調用中返回時，返回到哪個函數位置;另一部分，用于描述與當前函數有關的一些局部信息(比方說局部變量)。在ICC中，編譯器將兩個獨立開來，分別使用兩個棧來保存。保存函數返回地址(也就是第一部分)的棧被稱為硬件棧(Hardware Stack 或者 Resturn Stack)。保存當前函數局部相關信息的棧，我們稱之為軟件堆棧(Software Stack)。

將原來完整的結點信息一分為二，究竟是出于怎樣的考慮呢?我們知道，單片機的內存容量有限(ATMeag48的SRAM僅有512個字節(jié))，不可能允許無限制的函數嵌套，必須對棧的尺寸加以限定。在正常情況下，一個結點中包含的信息總是包含定長和不定長兩個部分。其中，表示函數返回地址的部分由于指針長度固定為2個字節(jié)，因此屬于定長部分。將其單獨作為一個結點保存在硬件堆棧中，便于規(guī)定函數允許嵌套的最大深度(例如，當我們設定HW Stack的最大尺寸是16時，就表示所允許的函數嵌套深度最大為8層)。出去函數返回地址，我們將其余的變長信息統(tǒng)一放在軟件堆棧中，而這一部分的尺寸我們是無法預計的--棧究竟需要多大空間，完全取決于用戶在函數中定義了多少局部信息(比方說局部變量)及函數嵌套了多少層，因此，我們總希望能給HW Stack提供盡可能大的空間。

出于以上考慮，ICC系統(tǒng)采用硬件棧和軟件棧分開存儲的方式。編譯器要求硬件棧的大小必須在程序編譯器前由用戶給定(在ICC集成開發(fā)環(huán)境中，有Compile Option--Target選項卡的Return Stack Size選項卡來設定)，如圖13-13所示。硬件棧位于SRAM的高地址，采用向上生長的方式，大小直接受到從棧底地址開始至存儲器頂端所剩余的空間限制。這一空間大小恰好等于Return Stack所設置的數值。軟件棧與硬件棧背靠背存放，采取向下生長的方式，雖然其大小受到諸多因素的共同影響，但最大尺寸在編譯完成后也是確定的，如圖13-14所示。

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考慮到存儲器的大小的限制，我們在編寫單片機的程序時，一定要精打細算。一個程序，當系統(tǒng)中使用了大量的中斷資源，并且允許了中斷嵌套的存在，那么在極端的情況下，中斷處理程序就很容易發(fā)生嵌套現象。此時適當擴大硬件堆棧的大小，支持較大的函數嵌套深度，往往能解決很多莫名其妙的跑飛問題。與擁有豐富存儲器資源時的狀況不同，由于局部變量在函數發(fā)生嵌套時，都要占用軟件堆?？臻g，因此大量使用使用局部變量或者使用了占用空間頗為可觀的局部數組(也包括體積巨大的結構體)，在嵌套深度較大時，都有可能造成向下生長的軟件堆棧侵入其他存儲區(qū)域(詳細情形閱讀ICC的幫助文檔)，導致某些變量意外修改、程序跑飛等現象。解決這一問題的方法其實很簡單，在某些局部變量占用空間較大的情況下，將其通過關鍵static聲明為靜態(tài)變量--這樣即保證了變量的局限性，又避免了將這些內容壓入軟件棧中(靜態(tài)局部變量在存儲時和全局變量沒有本質區(qū)別，采用的都是 靜態(tài)分配)，只不過每次使用這些變量之前都要記得補充必要的初始化代碼。