代码收藏家 STM32嵌入式系统堆栈溢出问题详解及解决方案探讨
前言
在嵌入式系统开发中，堆栈溢出是常见的问题，尤其是在处理大量数据或执行复杂算法（如FFT）时更为突出。本文将深入分析STM32中堆栈溢出的原因、检测方法及解决方案，并以一个实际的FFT处理程序为例进行剖析。
问题描述
最近在STM32G431项目中实现FFT功能时，发现程序无法正常进入Filter_Mean_static函数。代码中使用了大小为1024的FFT，但当程序尝试执行滤波函数时，系统似乎"卡死"。程序默认栈大小设置为0x400（1KB），堆大小为0x200（512B）。
堆栈基础知识
STM32内存布局
STM32微控制器的内存布局通常如下：
高地址 ┌──────────────────┐
│ 栈区 │ ← 栈从高地址向低地址增长
│ ↓ │
│ │
│ ↑ │
│ 堆区 │ ← 堆从低地址向高地址增长
│ │
│ 全局/静态变量区 │
│ │
│ 只读数据区 │
│ │
低地址 │ 程序代码区 │
└──────────────────┘堆与栈的区别
| 特性 | 栈(Stack) | 堆(Heap) |
|-----|-----------|----------|
| 分配方式 | 编译时确定大小，自动管理 | 运行时动态分配 |
| 增长方向 | 从高地址向低地址 | 从低地址向高地址 |
| 分配速度 | 非常快，只需移动栈指针 | 相对较慢，需内存管理算法 |
| 生命周期 | 函数调用期间，自动释放 | 手动分配与释放 |
| 存储内容 | 局部变量、函数参数、返回地址 | 动态分配的数据结构 |
| 控制方式 | 系统自动管理 | 程序员手动管理 |STM32栈设置
STM32的栈大小在启动文件中定义，例如startup_stm32g431xx.s：
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
Stack_Size EQU 0x400
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
问题分析
代码分析
问题代码的核心部分：
#define FFT_LENGTH 1024
// 全局变量 (现在的实现)
uint16_t adcBuff[FFT_LENGTH];
float fft_inputbuf[FFT_LENGTH * 2];
float fft_outputbuf[FFT_LENGTH];
float adcfilter[FFT_LENGTH]; // 均值滤波后数据
void Output_FFT_Array(void)
{
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1, ADC_SINGLE_ENDED);
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adcBuff, FFT_LENGTH);
while(!AdcConvEnd1);
// 数据处理
for(int i=0; i<FFT_LENGTH; i++) {
adcBuff[i] = adcBuff[i]*VREF/4096.0f;
fft_inputbuf[2*i] = adcBuff[i];
fft_inputbuf[2*i+1] = 0;
}
HAL_Delay(2000);
Filter_Mean_static((float *)adcBuff, adcfilter, 10, FFT_LENGTH); // 滤波
// 其他代码...
}
// 滤波函数
void Filter_Mean_static(float *input_data, float *output_data, int Filter_length, int datalength)
{
float sum = 0;
for(int i=0; i<(datalength-Filter_length); i++) {
// 滤波处理
for(int j=i; j<Filter_length+i; j++) {
sum += input_data[j];
}
output_data[i] = sum/Filter_length;
sum = 0.0f;
}
// 其他代码...
}发生栈溢出的主要原因是因为我，在函数中定义了一个1024大小的float型数组，在栈中需要4096B大小存放，导致程序编译运行时直接卡死。找了好久才发现问题。后来把局部变量改为全局变量，又增加了栈大小才解决。
问题原因分析
最初的问题是将adcfilter数组定义为局部变量：
void Output_FFT_Array(void)
{
float adcfilter[FFT_LENGTH]; // 局部变量, 占用4KB栈空间
// ...
}这导致了栈溢出：
函数调用栈分析
当函数嵌套调用时，栈的使用是累加的：
Output_FFT_Array栈帧:
- 局部变量
- 返回地址等信息
↓ 调用Filter_Mean_static
Output_FFT_Array栈帧 (保持不变)
+
Filter_Mean_static栈帧:
- 局部变量
- 返回地址等信息当嵌套调用链上有大型局部数组时，很容易导致栈溢出。
解决方案
1. 使用全局变量
将大型数组从栈移到全局/静态存储区：
// 在文件顶部定义全局变量
float adcfilter[FFT_LENGTH];
void Output_FFT_Array(void)
{
// 使用全局变量，不在栈上分配空间
Filter_Mean_static((float *)adcBuff, adcfilter, 10, FFT_LENGTH);
}2. 增加栈大小
在启动文件中增加栈大小：
Stack_Size EQU 0x2000 ; 从0x400(1KB)增加到0x2000(8KB)3. 减小数组大小
如果不需要这么高的精度，可以减小FFT_LENGTH：
#define FFT_LENGTH 512 // 从1024减为5124. 使用动态内存分配
void Output_FFT_Array(void)
{
float *adcfilter = (float *)malloc(FFT_LENGTH * sizeof(float));
if(adcfilter) {
Filter_Mean_static((float *)adcBuff, adcfilter, 10, FFT_LENGTH);
free(adcfilter);
}
}5. 分段处理数据
#define SEGMENT_SIZE 256
void Output_FFT_Array(void)
{
float segment_filter[SEGMENT_SIZE];
for(int seg=0; seg<FFT_LENGTH/SEGMENT_SIZE; seg++) {
// 处理每个段
Filter_Mean_static((float *)&adcBuff[seg*SEGMENT_SIZE],
segment_filter,
10,
SEGMENT_SIZE);
// 复制结果到目标数组
memcpy(&adcfilter[seg*SEGMENT_SIZE], segment_filter, SEGMENT_SIZE*sizeof(float));
}
}检测堆栈溢出的方法
硬件方法：使用STM32的MPU或Stack指针监控
软件方法：栈填充模式，在栈区填充特定模式后检测变化
编译器选项：开启栈溢出检测 -fstack-protector
调试输出：在关键函数前后添加输出，确定程序执行位置
递增测试：逐步减小数组大小，直到程序正常运行
栈使用分析
在本例中，Output_FFT_Array函数的栈使用情况：
总计约200-300字节，远小于设置的1KB栈空间。但如果添加局部大数组（例如4KB的float数组），则会远超栈大小。
总结
栈的自动内存管理特性
栈溢出问题本质
解决方案核心
栈变量简单易用，但在资源受限的MCU上，与其便利性相比，更应注重内存分配的合理性。
作者：taptaptap.jic
