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內核。基于MAXQ20的微控制器通常可實現一個16位寬硬堆棧，其深度固定不變(MAXQ2000為16)，存儲在與數據和程序空間分開的專用內部存儲器中。通過子程序調用和中斷，這一硬堆棧可用于保存和恢復微控制器的操作狀態。

雖然非常適合緊湊型應用，但是在規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。利用數據存儲器中的“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。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內核沒有內置機制來定位數據存儲器中的堆棧，這些數據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據存儲器中實現軟堆棧的簡單方法。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系列工程應用開發和調試環境中編寫了實例代碼。

可以免費下載MAX-IDE環境最新的安裝包和文檔：

MAX-IDE安裝(ZIP)

MAXQ內核匯編指南(PDF)

開發工具指南(PDF)

MAXQ20內核中的硬堆棧工作

MAXQ20內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據。這些操作將堆棧指針SP預增1，然后，把數據存儲在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據。這些操作從SP指向的堆棧位置恢復數據，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，開始執行中斷服務程序(中斷矢量寄存器IV所指)之前，當前程序執行點被推入堆棧。

當調用某些調試命令(例如，讀寄存器和寫數據存儲器)時，需要執行完程序ROM中的代碼，在控制被傳送給程序ROM之前，當前的執行點被推入堆棧。一旦執行完程序ROM中的調試程序，執行點從堆棧中彈出，恢復處理器以前的狀態。

找到中斷服務程序或者執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出現時，MAXQ2000 (和其他的基于MAXQ20內核的器件一樣)并不支持任何錯誤探測或者報警：

堆棧上溢：將數值推入已經滿的堆棧時發生。這一錯誤導致堆棧中最早的數值被覆寫。

堆棧下溢：從空堆棧中彈出數值時發生。這一錯誤導致返回無效數據值。例如，如果堆棧空時執行RET，執行后將返回一個不正確的(有可能是隨機的)地址。

在數據存儲器中建立一個軟堆棧

在數據存儲器中建立一個軟堆棧的第一步是定義要使用數據存儲器的哪一部分。然后，必須定義跟蹤堆棧頂當前位置的數據存儲器指針(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據存儲器(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據存儲器的范圍內(BP .. (BP+255))。如果當Offs等于255 (上溢)時出現推入，或者Offs等于0 (下溢)時出現彈出，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；它不探測下溢和上溢狀態。

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，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，只有低位字節被存儲在寄存器中。高位字節丟失。這與內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操作代碼執行子程序相同。一旦執行完成，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。使用其他數據指針(DP[0]或者DP[1])之一可以實現任意大小的堆棧(最大達到數據存儲器的上限)。

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據存儲器的0000h至01FFh，因此，產生的堆棧可以保持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

只改變數據指針，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]并沒有限制在數據存儲器的一定范圍內，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，這類錯誤只會出現在應用程序開發階段；如果代碼編寫正確，不會出現這類錯誤。如果的確出現了錯誤，一般將其考慮為重大錯誤，就像使用硬堆棧時出現下溢/上溢錯誤。對這類錯誤可能的響應包括暫停，發送錯誤消息，或者閃爍LED。在開發階段，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)，如果出現下溢或者上溢，立即發出反饋。

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，指示出現了堆棧錯誤。可選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了MAXQ2000以及其他MAXQ20微控制器數據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，有助于大規模匯編應用程序的開發。堆棧還支持堆棧錯誤的探測。

審核編輯：郭婷