Arduino UNO 下的 avr 架构函数调用笔记

Mon, 05 Oct 2026 13:24:44 +0800

大二的单片机课程用的 Arduino UNO，靠的 Arduino IDE 上手蛮简单，但封装好的框架可玩性不高，所以就用 avr GNU 套件做交叉编译直接写裸机 C 语言。

先前基于 UART 实现了 shell，可以做输入输出，在此基础研究函数调用。
Shell 代码是 #71783bd commit。这个 commit 实现了 cmd_sp 和 cmd_stack，前者可以打印当前的栈指针 SP 后者做了两层函数调用并打印每一层的栈指针地址，由此配合 avr-objdump 反编译可以分析了。

代码分析

Shell 整体就不说了，这套我叫 GooseHeap Shell，中文名就是鹅堆(谐音梗哈哈哈哈)。用 UART 中断和环形缓冲区实现了 uart_putc() 和 uart_puts()。因为看地址用十六进制比较舒服，基于 uart_putc() 实现打印十六进制的函数：

void uart_put_hex_digit(uint8_t n)
{
    if (n < 10)
    {
        uart_putc('0' + n);
    }
    else
    {
        uart_putc('A' + (n - 10));
    }
}

void uart_put_hex16(uint16_t n)
{
    uart_puts("0x");

    uart_put_hex_digit((n >> 12) & 0xF);
    uart_put_hex_digit((n >> 8) & 0xF);
    uart_put_hex_digit((n >> 4) & 0xF);
    uart_put_hex_digit(n & 0xF);
}

打印 16 位二进制的 hex 表示就已够 SP 用，完成基础设施后首先实现 SP 的打印：
avr-libc 提供了 SP 宏直接读取 SP 寄存器对应地址的值。

void cmd_sp(void)
{
    uint16_t sp = SP;

    uart_puts("SP = ");
    uart_put_hex16(sp);
    uart_puts("\r\n");
}

接下来设计函数调用，设计一下的调用链：

`1`	`cmd_stack -> foo -> bar`

为了防止编译器做内联优化函数声明前用了 __attribute__ 宏修饰：

`1`	`__attribute__((noinline))`

并且防止尾调用优化 foo 调用 bar 后还需要再写个语句使 bar 不作为尾调用。

最后实现的函数：

__attribute__((noinline)) void bar(void)
{
    uint16_t sp = SP;

    uart_puts("bar:   ");
    uart_put_hex16(sp);
    uart_puts("\r\n");
}

__attribute__((noinline)) void foo(void)
{
    uint16_t sp = SP;

    uart_puts("foo:   ");
    uart_put_hex16(sp);
    uart_puts("\r\n");

    bar();

    uart_puts("bar returned\r\n");
}

void cmd_stack(void)
{
    uint16_t sp = SP;

    uart_puts("cmd:  ");
    uart_put_hex16(sp);
    uart_puts("\r\n");

    foo();

    uart_puts("foo returned\r\n");
}

栈

使用 sp 命令即可打印当前的 SP 指针：

1
2
3

> sp
SP = 0x08F6
>

Arduino UNO 只有 2KB 的内存，也就是 0x800 不过前 0x100 映射给寄存器了，所以实际内存对应地址是 0x8FF ~ 0x100。
再用 stack 指令查看 SP 的变化：

> stack
cmd:  0x08F6
foo:   0x08F2
bar:   0x08EE
bar returned
foo returned

可见每一次调用 SP 都减去 4 字节，因为栈是从高地址向低地址变化。
UNO 的硬件在每一次 call 的时候都会将当前 PC 弹入栈，但 PC 寄存器实际只占了 2 字节(16位) 还有 2 字节需要看反汇编了。

以 foo 为例，在函数开头弹入了 r28, r29 寄存器，这两寄存器是 1 字节的，所以总共 4 字节。对应输出。在函数返回的时候就 pop 弹出了这些寄存器。这些寄存器是要保护的调用者的寄存器，也就是上下文保护。

Arduino on storm_1614

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代码分析

栈