二、单片机——栈溢出监测_单片机怎么看栈是否溢出

一、ARM-CortexM 系列内核寄存器简介

单片机主要是由内核、外设、总线、内存等部分组成，目前市场上主流的32位单片机大多数为 ARM内核的CortexM 系列的单片机，例如STM32F103、STM32F407、GD32F103等等。单片机内核是具有计算和处理能力的中心，其内部具有几个重要的寄存器：

R0~R12: 通用寄存器，可进行数据的加载

R13:栈指针（SP），用于对栈空间的存取操作（通过PUSH和POP指令），CrortexM0、CrortexM3在不用物理地址位置上存在两个栈指针，主站指针（MSP，为上电后的默认指针，用于异常处理）和进程栈指针（PSP，主要用于操作系统线程)

R14:链接寄存器LR，用于存储子程序或者函数调用的返回地址。子程序或者函数执行完毕。存储在LR中的返回地址将被加载到程序计数器（PC）中，以便调用程序可以继续执行。当异常发生时，LR会提供一个特定值用于中断返回机制；

R15:程序计数器(PC),一般指向当前正在执行的函数地址，由于哈佛三级流水钱的结构，一般会指向当前程序执行的地址+4；

二、堆栈的概念

堆和栈都是一块特定的内存单元（在RAM中），用于存储数据

堆：是由程序员手动申请的内存单元，例如在单片机编程过程中使用 malloc 函数申请一定字节的空间，使用后必须手动释放，例如 free；内部地址是由低到高生长，先进先出模式；

栈：是由单片机内部的一块存储单元，由单片机申请和释放；一般在编写函数时，定义的局部变量、数组、指针、结构体等，都是在单片机执行到该函数时为才为这些变量申请的内存空间，当函数执行完成后，内存会被单片机释放；这些变量申请后所占用的内存都属于栈空间；内部地址是由高到低生长（大多数如此，看内核架构），先进后出模式；

栈空间的动态变化：

在程序执行时，会将一些重要的数据保存在内存中，比如全局变量。由于在调用函数时会动态的申请内存，并可能对局部变量的数据进行读写操作，当栈溢出后，可能会改写内存中的数据，导致程序跑飞或者出错。所以要时刻警惕防止程序栈溢出。

三、栈溢出检测

为防止栈溢出，要时刻对栈进行检测，如何判断栈是否溢出？只要通过一些技术手段检测栈是否超出边界其实就可以检测栈溢出，检测方法如下：

（1）、获取栈边界地址；

（2）、对栈边界处的内存写一组特定的数据；

（3）、时刻检测栈边界地址的数据是否改变，如果数据被改变，说明栈溢出。

 1、获取栈边界地址：在CreateM3 内核中，可以使用 __get_MSP() 函数获取栈当前地址；由于栈只有在定义变量的时候，地址才会生长，因此当函数进入主函数后在未定义变量之前先获取此时的栈地址，此时的栈地址就是栈的起始地址，然后通过起始地址和栈的空间大小，计算出栈边界地址；

2、在获取栈边界地址后，通过指针的方式，对该地址内存单元的进行写入特定的数据；

3、在程序运行的过程中定期检测；

本次实验使用STM32F103单片机进行实验，设置的栈空间为512字节，实验代码如下：

uint32_t StackPos;
__IO uint32_t *pStack;
void StackTest(void);
 
 
int main(void)
{ 	
	StackPos = __get_MSP();   //获取栈顶地址
	pStack = (uint32_t *)(StackPos-0X200); //计算栈的边界地址
	*pStack = 0X12345678;
	LED_Init();
	StackTest();
	while(1)
	{
		SysDelayms(100);
	}
} 
 
void StackTest(void)
{
	uint8_t buf[600];
	uint16_t i = 0;
	buf[i] = buf[i];          //防止编译器警告
	StackPos = __get_MSP();		//获取栈顶地址
	for(i=0; i<513; i++)
	{
		buf[i] = 0X55;
	}
}

通过该工程的map文件，得到的栈初始地址和栈空间信息：

栈的起始地址为0X20000480,大小为0X200,仿真代码，当执行 StackPos = __get_MSP() 语句后，得到的 StackPos 的数据为 0x20000680,此时MSP指针也是指向 0X20000680 地址，所以此时 StackPos 等于栈的起始地址。

 接下来通过指针的方式对该地址写入 0X12345678,仿真结果如下：

可以看到，此时  pStack 指向的地址为 0X20000480, 该地址正好是栈的边界地址，通过内存看下 0X20000480 地址处的数据也为 0X12345678：

 之后，调用函数 StackTest() ，在该函数内部定义了一个大数组，我们对大数组进行赋值为0X55，然后运行看下仿真结果：

 此时， pStack  指针指向的地址空间的数据变为为 0X55555555,由此可见，栈已经溢出；我们可以定期检测 pStack  指向的地址的内容，从而确定栈是否溢出。