Стек

Стек представляет собой область памяти, которую ЦПУ использует для сохранения и восстановления адресов возврата из подпрограмм.
Практически у всех микроконтроллеров AVR стек размещается в SRAM. Для адресации текущего элемента (вершины стека) используется указатель стека SP (Stack Pointer). Это однобайтовый РВВ SPL у моделей с объемом памяти данных до 256 б, или двухбайтовый SPH:SPL (SPH – старший байт, SPL – младший байт).

Когда микропроцессор встречает одну из инструкций вызовов rcall/call/ecall/icall/eicall, то адрес следующего за ними слова в памяти программ аппаратно копируется в стек. В момент выхода из подпрограммы по команде ret адрес возврата восстанавливается из стека в программный счетчик. В моделях с объемом памяти программ 128 и 256 к/слов для сохранения PC в стеке потребуется 3 байта, для всех остальных – 2 байта. При сохранении каждого байта содержимое SP уменьшается на единицу, а при восстановлении, соответственно увеличивается.

Рис.9 Расположение стека в памяти данных

Программист должен самостоятельно определить местоположение стека в самом начале программы. С точки зрения максимальной его глубины, вершину стека нужно поместить в самом конце SRAM, как это показано на рис.9:

      .include "m8def.inc"

    ldi   temp,low(RAMEND)   ;устанавливаем SP = RAMEND                             
    out   SPL,temp           ;для ATmega8 SP = 0x045F                            
    ldi   temp,high(RAMEND)                                
    out   SPH,temp 

Константа RAMEND из стандартного заголовочного файла m8def.inc имеет значение адреса последней ячейки SRAM. 

В диапазоне адресов SRAM между РВВ и текущим положением SP размещаются переменные прикладной программы. Поэтому очень важно предварительно оценить максимальный размер стека (глубину стека). Может случиться так, что вершина стека поднимется слишком высоко и начнет “затирать” пользовательские данные, а это одна из самых сложно-выявляемых ошибок!

Стек AVR, помимо сохранения адресов возврата, имеет еще одно очень важное предназначение. Он позволяет сохранять любые данные специально предназначенными для этого командами push Rr (загрузка в стек) и pop Rd (выгрузка из стека). Каждый раз при выполнении push Rr содержимое Rr копируется в стек, после чего SP уменьшается на единицу. При выполнении pop Rr содержимое ячейки стека, на которую указывает SP, восстанавливается в Rr, а само значение SP инкрементируется. Стек подобного рода имеет организацию Last In First Out (Последний Вошел Первый Вышел): регистр, сохраненный последней командой push, будет восстановлен первой командой pop:

;                                                  SP      Уровень стека после команды     
   
    push R16   ;сохраняем R16                    0x045F           R16   ?    ?  
    push R17   ;сохраняем R17                    0x045E           R16  R17   ?  
    push R18   ;сохраняем R18                    0x045D           R16  R17   R18
    ̣̣̣̣̣̣̣̣
    pop  R18   ;восстанавливаем  R18             0x045D           R16  R17   ?
    pop  R17   ;восстанавливаем R17              0x045E           R16   ?    ?  
    pop  R16   ;восстанавливаем R16              0x045F            ?    ?    ?  

Через стек очень просто можно обменять содержимое регистров местами:

;   Обмен R16 <-> R17                             SP    Уровень стека после команды     
   
    push R16   ;сохраняем R16                    0x045F           R16   ?  
    push R17   ;сохраняем R17                    0x045E           R16    R17
    pop  R16   ;восстанавливаем  R16             0x045E           R16   ?
    pop  R17   ;восстанавливаем R17              0x045F            ?    ?    

Рис.10 Пример работы стека

На рис.10 приведен небольшой фрагмент кода, в котором пошагово рассмотрен процесс изменения стека при входе и выходе из подпрограммы toggle и сохранении и восстановлении регистра R17. Это типичный пример, где могут понадобиться инструкции push/pop. Подпрограмма toggle использует РОН R17 в своих нуждах, но этот- же регистр может использоваться и в ходе основной программы. Поэтому, во избежание повреждения данных, R17 перед модификацией загружается в стек и восстанавливается из него перед командой ret.

У некоторых устаревших моделей ATtiny отсутствует SRAM. Поэтому стек таких микропроцессоров имеет совсем другое устройство. Он реализован аппаратно в виде недоступной для программиста области памяти. Глубина стека – всего три уровня вложения, что, соответственно, позволяет вызвать не более трех подпрограмм. Аппаратный стек не предназначен для сохранения данных.

Перейти к следующей части: Прерывания

Теги:

• Микроконтроллер
• AVR