研究嵌入式軟件架構時遇到的初始化堆棧溢出問題

文章目錄

2025年4月10日新增
- 分析PC寄存器指針值排查問題
- map文件設計到的知識點
- - 1. **.bss 段（Block Started by Symbol）**
  - 2. **.data 段**
  - 3. **.text 段**
  - 4. **.heap 段**
  - 5. **.stack 段**
  - 6. **.rodata 段（只讀數據段）**
  - 7. **.init 和 .fini 段**
  - 8. **符號信息（符號表）**
  - 總結
如題
如何解決？
涉及到的知識點
記錄遇到的坑

2025年4月10日新增

首先程序框架已經解決所有問題，可以完美運行了！今天從git上download下來昨天的出錯版本，重新分析下昨天的錯誤程序

在這里插入圖片描述
堆棧設置的是1K空間

這個uart_init()函數里面的buff數組太大導致了堆棧溢出，昨天出了好幾種堆棧溢出的情況，這是其一，那個systick初始化的問題我今天沒復現，忘記昨天啥情況了，上面即使uart_inti()函數不調用，但是只要上面定義了還是會棧溢出，為什么呢？
在這里插入圖片描述
左邊error的RW多了0.25k空間，多出來的主要是ZI Data數據

發現error的map文件中，出現了stdio_streams.o，這個跟printf()函數有關

可以看出跟uart_init()函數沒有關系

注釋了這行代碼就解決問題了

分析兩個程序的內存布局差異及跑飛原因
一、內存布局差異對比
??堆棧空間分配??
??異常程序??：
STACK 段起始地址 0x20000500，大小 1024 bytes
HEAP 段起始地址 0x20000300，大小 512 bytes
??正常程序??：
STACK 段起始地址 0x200003f8，大小 1024 bytes
HEAP 段起始地址 0x200001f8，大小 512 bytes
??差異??：正常程序的堆棧和堆地址更緊湊，可能是通過調整啟動文件中的 Stack_Size 和 Heap_Size 宏定義優化了內存分布。
??全局變量區域（.bss/.data）??
??異常程序??的 .bss 段存在多模塊重疊分配（如 hal_uart1.o 和 stdio_streams.o），導致 active_config 等變量地址沖突（如 0x20000190 和 0x20000078）。
??正常程序??的 .bss 段地址分配連續且無重疊，例如 hal_uart1.o 的 rx_buffer 從 0x2000007c 開始，與前后模塊無沖突。
二、跑飛原因推測
??堆棧溢出??
??異常程序??的堆棧起始地址 0x20000500 與 .bss 段末端 0x200002a0 間隔僅 0x260 bytes（約 608 字節），若存在深層次函數調用或中斷嵌套，可能超過棧容量導致數據覆蓋。
??正常程序??的堆棧起始地址 0x200003f8 與 .bss 末端 0x20000198 間隔 0x260 bytes，但通過優化內存分布避免了關鍵變量被覆蓋。
??內存訪問越界??
??異常程序??中 hal_uart1.o 的 tx_buffer 分配了 132 bytes，但其后的 active_config 地址 0x20000190 可能被越界寫入（如環形緩沖區未正確管理），破壞相鄰數據。
??中斷嵌套未考慮??
若異常程序中存在高頻中斷（如 UART 接收中斷），且未預留足夠中斷棧空間（STM32 默認使用主堆棧 MSP），嵌套中斷可能耗盡 1024 bytes 的堆棧容量。

分析PC寄存器指針值排查問題

在這里插入圖片描述

PC起始地址是0x8000240，是SystemInit

在這里插入圖片描述
單步執行后發現PC指針跑飛

實際上，我這里是重定向出了問題

//int fputc(int ch, FILE *f)
//{
//	while (0 == (USART1->SR & 0X40));//	USART1->DR = (uint8_t)ch;//	return ch;
//}#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)// 使用#pragma指令來導入__use_no_semihosting，表示不使用半主機模式。
// 半主機模式通常用于調試，允許在目標設備上運行時與主機進行交互。
struct __FILE
{int handle;
};FILE __stdout;// 定義一個全局變量__stdout，類型為FILE，用于標準輸出。
void _sys_exit(int x)
{x = x;
}int fputc(int ch, FILE *f)
{while (0 == (USART1->SR & 0X40));USART1->DR = (uint8_t)ch;return ch;
}
#endif

參考正點原子這樣修改解決了問題

map文件設計到的知識點

在分析嵌入式系統或單片機的 map 文件時，map 文件提供了詳細的內存布局和各個段（section）在內存中的分配情況。map 文件的內容對調試、優化和了解程序結構非常有幫助。

下面是對 map 文件中常見的幾個段（例如 .bss 段、.data 段以及其他段）的詳細分析。

1. .bss 段（Block Started by Symbol）

描述：.bss 段是用于未初始化的全局變量和靜態變量的內存區域。在程序啟動時，這些變量會被清零或初始化為零。
特點：
- .bss 段通常不占用實際的存儲空間。在編譯時，鏈接器并不為 .bss 段中的變量分配實際的存儲空間，而是指示程序運行時為這些變量分配空間，并在程序加載時清零它們。
- 它通常包括未顯式初始化為特定值的靜態變量和全局變量。

例子：

int global_var;  // 默認值為 0
static int static_var;  // 默認值為 0

map 文件中的信息：
- 在 map 文件中，.bss 段會列出所有未初始化的全局和靜態變量及其所占的內存空間大小。由于這些變量會在程序啟動時被清零，因此 .bss 段通常不會占用磁盤上的存儲空間。
- 大小：map 文件中 .bss 段的大小通常會較大，尤其是未初始化變量較多時。

2. .data 段

描述：.data 段是用于存儲已初始化的全局變量和靜態變量的內存區域。與 .bss 段不同，.data 段中的變量在編譯時就已經被賦予了初始值。
特點：
- .data 段包含所有顯式初始化的全局和靜態變量。
- 在程序啟動時，.data 段的內容會從程序的可執行文件（或固件）加載到內存中。

例子：

int global_var = 10;  // 已初始化的全局變量
static int static_var = 20;  // 已初始化的靜態變量

map 文件中的信息：
- map 文件會列出 .data 段中所有已初始化變量及其在內存中的起始地址和大小。
- 大小：.data 段的大小取決于已初始化的變量總量。

3. .text 段

描述：.text 段是程序的代碼段，它存放了編譯后的機器代碼。在這個段中沒有變量，只有程序的指令。
特點：
- 代碼段通常是只讀的，因為程序代碼在執行時不應該被修改。
- .text 段通常是程序中占用空間最多的部分，尤其是復雜程序和函數較多時。
map 文件中的信息：
- map 文件會顯示 .text 段的起始地址、大小以及每個函數的實際內存位置。
- 大小：代碼段的大小會受到程序中函數和指令的復雜度影響。

4. .heap 段

描述：.heap 段用于動態分配內存（例如通過 malloc, calloc, new 等函數分配的內存），通常位于程序的棧（.stack）段之后。
特點：
- 動態內存分配的內存區域。
- 程序運行時的內存分配和釋放會發生在此區域。
map 文件中的信息：
- .heap 段的內存大小取決于程序運行時實際分配的內存量。
- map 文件會顯示 .heap 段的起始地址、大小等信息。

5. .stack 段

描述：.stack 段用于存儲函數調用時的局部變量、返回地址等信息。棧是一個動態分配的內存區域，隨著函數的調用和返回不斷增長和縮小。
特點：
- 棧的大小是由編譯器或鏈接器預設的，通常在 map 文件中可以看到棧的大小。
- 棧是一個向下增長的內存區域，通常在內存地址空間較高的位置。
map 文件中的信息：
- map 文件會顯示棧的起始位置和大小等信息。棧的大小通常在 linker script 或編譯器設置中配置。

6. .rodata 段（只讀數據段）

描述：.rodata 段用于存儲程序中的常量數據（如字符串字面量、常量數組等），這些數據在程序運行期間不會被修改。
特點：
- .rodata 是只讀的，不允許修改其中的數據。
- 通常存儲字符串常量、全局常量等。
map 文件中的信息：
- map 文件會列出 .rodata 段的內存占用情況，包括字符串常量等的內存地址和大小。

7. .init 和 .fini 段

描述：
- .init 段包含程序初始化代碼，在程序啟動時被調用，通常用于設置初始化操作，如硬件初始化等。
- .fini 段包含程序結束時的清理代碼，通常在程序退出前進行資源清理。
特點：
- 這兩個段通常由編譯器或鏈接器自動處理。
map 文件中的信息：
- map 文件會顯示 .init 和 .fini 段的地址和大小。

8. 符號信息（符號表）

描述：map 文件中還包含符號表，列出了程序中的所有符號（如變量、函數等）及其在內存中的地址。
特點：
- 符號表包含了所有變量和函數的名稱、類型和內存地址等信息，通常用于調試。
map 文件中的信息：
- 每個符號（如全局變量、靜態變量、函數等）都會有一個對應的內存地址和大小。

總結

在 map 文件中，除了 .bss、.data 和 .text 段外，還包含了棧、堆、只讀數據段等信息。每個段都有不同的作用，且在編譯和鏈接過程中被分配到不同的內存區域。通過查看 map 文件，你可以清晰地了解程序的內存分布、變量和函數的位置，進而優化內存使用和提高程序性能。

如題

//hal_systick_config_t cfg =
//{
//    .clk_source = SYSTICK_CLK_HCLK_DIV8,
//    .reload_value = 21000,
//    .sys_clk_frequency = 168,
//    .tick_callback = timer_ticks_count
//};static void systick_init(void)
{hal_systick_config_t cfg ={.clk_source = SYSTICK_CLK_HCLK_DIV8,.reload_value = 21000,.sys_clk_frequency = 168,.tick_callback = timer_ticks_count};hal_systick_init(&cfg);
}

這個代碼中，只要cfg結構體變量放到函數外面一切正常，只要放在函數內部則進入debug模式后需要三次run之后程序才會執行，把棧空間調大依然會出現這個問題

如何解決？

在這里插入圖片描述

涉及到的知識點

一、堆棧初始值計算公式
STM32 的堆棧起始地址（即 SP 初始值）由以下公式決定：

SP_初始值=SRAM起始地址+RW_Data大小+ZI_Data大小+Stack_Size
??SRAM起始地址??：STM32F407 的 SRAM 起始地址為 0x20000000
??RW_Data（可讀寫數據）??：已初始化的全局變量和靜態變量
??ZI_Data（零初始化數據）??：未初始化的全局變量和靜態變量（默認填充為0）
??Stack_Size??：啟動文件中定義的棧大小（您設置為 0x400，即 1KB）
二、現象解釋
在您的案例中，??SP 初始值為 0x20000900?? 的具體計算邏輯如下：

??默認內存布局??：
SRAM 起始地址：0x20000000
程序中的全局變量（RW+ZI）總大小：假設為 0x900 字節
棧大小（Stack_Size）：0x400 字節（1KB）
則 SP 初始值 = 0x20000000 + 0x900 + 0x400 = 0x20000D00
但實際觀察到的 SP 值為 0x20000900，這表明 ??RW+ZI 實際僅占用 0x500 字節??（0x20000900 - 0x20000000 - 0x400 = 0x500）。
??堆棧生長方向??：
STM32 的棧是 ??向下生長?? 的，SP 初始值指向棧頂（高地址），棧底為 SP - Stack_Size。因此：
棧頂地址：0x20000900
棧底地址：0x20000900 - 0x400 = 0x20000500
棧空間范圍：0x20000500 ~ 0x20000900。

根據.map文件分析，可以得出以下關于棧溢出問題的結論：

一、棧空間配置分析
??棧大小設置??
在startup_stm32f40_41xxx.o中明確顯示：
STACK 0x20000500 0x00000400 (1KB)
這與用戶設置的0x400（1024字節）完全一致。
??內存布局驗證??
棧的地址范圍：0x20000500 ~ 0x20000900
堆的地址范圍：0x20000300 ~ 0x20000500（512字節）
全局變量（ZI + RW Data）：總占用2304字節（RW_IRAM1區域）。
二、棧溢出風險判斷
??棧使用量估算??
根據Image component sizes，ZI Data（零初始化數據）為2268字節，RW Data為36字節，總占用2304字節。
??關鍵點??：ZI Data包含全局變量和靜態變量，而棧和堆的地址范圍與ZI/RW區域相鄰。如果函數調用鏈中的局部變量過多，可能導致棧指針（SP）超出0x20000900，覆蓋其他內存區域。
??調試現象關聯??
用戶提到“變量放在函數內部時需要多次運行才成功”，這與棧溢出的典型現象（隨機性崩潰、HardFault）高度吻合。局部變量存儲在棧中，若超過0x400限制，會破壞中斷向量表或關鍵數據，導致程序異常。
??溢出檢測方法??
??靜態分析??：檢查函數調用層級和局部變量總大小。例如，若某函數定義了char buffer[1024]，直接占滿棧空間，必然溢出。
??動態驗證??：在Keil調試器中觀察SP寄存器值是否超出0x20000900，或通過Memory窗口查看棧內存是否被意外改寫。

記錄遇到的坑

1、函數指針一定不能跑飛，加上保護，防止程序跑飛
2、局部變量或者局部數據，尤其局部大數組一定要static化，或者直接全局化，防止堆棧溢出
3、利用三元運算符替代if邏輯，程序看起來簡潔優雅
4、巧用#ifndef HAL_STATUS_T_DEFINED
#define HAL_STATUS_T_DEFINED
命令來解決重復定義