?
?引言
?
怎么才能做好嵌入式開發(fā)?學(xué)好C語言吧!今天就來推薦一篇大佬寫的嵌入式C語言知識(shí)點(diǎn)總結(jié)。
?C語言中的關(guān)鍵字 ?C語言中的關(guān)鍵字按照功能分為: ?-
數(shù)據(jù)類型(常用char, short, int, long, unsigned, float, double)
-
運(yùn)算和表達(dá)式(?=, +, -, *, while, do-while, if, goto, switch-case)
-
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(auto, static, extern,const, register,volatile,restricted),
-
結(jié)構(gòu)(struct, enum, union,typedef),
-
位操作和邏輯運(yùn)算(<<, >>, &, |, ~,^, &&),
-
預(yù)處理(#define, #include, #error,#if...#elif...#else...#endif等),
-
平臺(tái)擴(kuò)展關(guān)鍵字(__asm, __inline,__syscall)
-
數(shù)據(jù)的處理,如協(xié)議的解碼和封包,AD采樣值的轉(zhuǎn)換等
-
數(shù)據(jù)的輸出,如GUI的顯示,輸出的引腳狀態(tài),DA的輸出控制電壓,PWM波的占空比等
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
既然不同平臺(tái)的基本數(shù)據(jù)寬度不同,那么如何確定當(dāng)前平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型如int的寬度,這就需要C語言提供的接口sizeof,實(shí)現(xiàn)如下。typedef unsigned char uint8_t;
typedef unsigned short uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
......
typedef signed int int32_t;
- ?
printf("int size:%d, short size:%d, char size:%d
", sizeof(int), sizeof(char), sizeof(short));
這里還有重要的知識(shí)點(diǎn),就是指針的寬度,如:- ?
- ?
其實(shí)這就和芯片的可尋址寬度有關(guān),如32位MCU的寬度就是4,64位MCU的寬度就是8,在有些時(shí)候這也是查看MCU位寬比較簡(jiǎn)單的方式。內(nèi)存管理和存儲(chǔ)架構(gòu)C語言允許程序變量在定義時(shí)就確定內(nèi)存地址,通過作用域,以及關(guān)鍵字extern,static,實(shí)現(xiàn)了精細(xì)的處理機(jī)制,按照在硬件的區(qū)域不同,內(nèi)存分配有三種方式(節(jié)選自C++高質(zhì)量編程):char *p;
printf("point p size:%d ", sizeof(p));
-
從靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配。內(nèi)存在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)分配好,這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。例如全局變量,static 變量。
-
在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時(shí),函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都可以在棧上創(chuàng)建,函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中 ,效率很高,但是分配的內(nèi)存容量有限。
-
從堆上分配,亦稱動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行的時(shí)候用 malloc 或 new 申請(qǐng)任意多少的內(nèi)存,程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)用 free 或 delete 釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由程序員決定,使用非常靈活,但同時(shí)遇到問題也最多。
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
C語言的作用域不僅描述了標(biāo)識(shí)符的可訪問的區(qū)域,其實(shí)也規(guī)定了變量的存儲(chǔ)區(qū)域,在文件作用域的變量st_val和ex_val被分配到靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū),其中static關(guān)鍵字主要限定變量能否被其它文件訪問,而代碼塊作用域中的變量a, ptr和local_st_val則要根據(jù)類型的不同,分配到不同的區(qū)域,其中a是局部變量,被分配到棧中,ptr作為指針,由malloc分配空間,因此定義在堆中,而local_st_val則被關(guān)鍵字限定,表示分配到靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū),這里就涉及到重要知識(shí)點(diǎn),static在文件作用域和代碼塊作用域的意義是不同的:在文件作用域用于限定函數(shù)和變量的外部鏈接性(能否被其它文件訪問), 在代碼塊作用域則用于將變量分配到靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。對(duì)于C語言,如果理解上述知識(shí)對(duì)于內(nèi)存管理基本就足夠,但對(duì)于嵌入式C來說,定義一個(gè)變量,它不一定在內(nèi)存(SRAM)中,也有可能在FLASH空間,或直接由寄存器存儲(chǔ)(register定義變量或者高優(yōu)化等級(jí)下的部分局部變量),如定義為const的全局變量定義在FLASH中,定義為register的局部變量會(huì)被優(yōu)化到直接放在通用寄存器中,在優(yōu)化運(yùn)行速度,或者存儲(chǔ)受限時(shí),理解這部分知識(shí)對(duì)于代碼的維護(hù)就很有意義。此外,嵌入式C語言的編譯器中會(huì)擴(kuò)展內(nèi)存管理機(jī)制,如支持分散加載機(jī)制和__attribute__((section("用戶定義區(qū)域"))),允許指定變量存儲(chǔ)在特殊的區(qū)域如(SDRAM, SQI FLASH), 這強(qiáng)化了對(duì)內(nèi)存的管理,以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境場(chǎng)景和需求。//main.c#include
#include static int st_val; //靜態(tài)全局變量 -- 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)
int ex_val; //全局變量 -- 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)int main(void)
{
int a = 0; //局部變量 -- 棧上申請(qǐng)
int *ptr = NULL; //指針變量
static int local_st_val = 0; //靜態(tài)變量
local_st_val += 1;
a = local_st_val;
ptr = (int *)malloc(sizeof(int)); //從堆上申請(qǐng)空間
if(ptr != NULL)
{
printf("*p value:%d", *ptr);
free(ptr);
ptr = NULL;
//free后需要將ptr置空,否則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)ptr的校驗(yàn)失效,出現(xiàn)野指針
}
}
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
采用這種方式,我們就可以將變量指定到需要的區(qū)域,這在某些情況下是必須的,如做GUI或者網(wǎng)頁時(shí)因?yàn)橐鎯?chǔ)大量圖片和文檔,內(nèi)部FLASH空間可能不足,這時(shí)就可以將變量聲明到外部區(qū)域,另外內(nèi)存中某些部分的數(shù)據(jù)比較重要,為了避免被其它內(nèi)容覆蓋,可能需要單獨(dú)劃分SRAM區(qū)域,避免被誤修改導(dǎo)致致命性的錯(cuò)誤,這些經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中是常用且重要,不過因?yàn)槠颍@里只簡(jiǎn)略的提供例子,如果工作中遇到這種需求,建議詳細(xì)去了解下。至于堆的使用,對(duì)于嵌入式Linux來說,使用起來和標(biāo)準(zhǔn)C語言一致,注意malloc后的檢查,釋放后記得置空,避免"野指針“,不過對(duì)于資源受限的單片機(jī)來說,使用malloc的場(chǎng)景一般較少,如果需要頻繁申請(qǐng)內(nèi)存塊的場(chǎng)景,都會(huì)構(gòu)建基于靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和內(nèi)存塊分割的一套內(nèi)存管理機(jī)制,一方面效率會(huì)更高(用固定大小的塊提前分割,在使用時(shí)直接查找編號(hào)處理),另一方面對(duì)于內(nèi)存塊的使用可控,可以有效避免內(nèi)存碎片的問題,常見的如RTOS和網(wǎng)絡(luò)LWIP都是采用這種機(jī)制,我個(gè)人習(xí)慣也采用這種方式,所以關(guān)于堆的細(xì)節(jié)不在描述,如果希望了解,可以參考LD_ROM 0x00800000 0x10000 { ;load region size_region
EX_ROM 0x00800000 0x10000 { ;load address = execution address
*.o (RESET, +First)
*(InRoot$$Sections)
.ANY (+RO)
}
EX_RAM 0x20000000 0xC000 { ;rw Data
.ANY (+RW +ZI)
}
EX_RAM1 0x2000C000 0x2000 {
.ANY(MySection)
}
EX_RAM2 0x40000000 0x20000{
.ANY(Sdram)
}
}
int a[10] __attribute__((section("Mysection")));
int b[100] __attribute__((section("Sdram")));
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
對(duì)于數(shù)組來說,一般從0開始獲取值,以length-1作為結(jié)束,通過[0, length)半開半閉區(qū)間訪問,這一般不會(huì)出問題,但是某些時(shí)候,我們需要倒著讀取數(shù)組時(shí),有可能錯(cuò)誤的將length作為起始點(diǎn),從而導(dǎo)致訪問越界,另外在操作數(shù)組時(shí),有時(shí)為了節(jié)省空間,將訪問的下標(biāo)變量i定義為unsigned char類型,而C語言中unsigned char類型的范圍是0~255,如果數(shù)組較大,會(huì)導(dǎo)致數(shù)組超過時(shí)無法截止,從而陷入死循環(huán),這種在最初代碼構(gòu)建時(shí)很容易避免,但后期如果更改需求,在加大數(shù)組后,在使用數(shù)組的其它地方都會(huì)有隱患,需要特別注意。由于,指針占有的空間與芯片的尋址寬度有關(guān),32位平臺(tái)為4字節(jié),64位為8字節(jié),而指針的加減運(yùn)算中的長度又與它的類型相關(guān),如char類型為1,int類型為4,如果你仔細(xì)觀察上面的代碼就會(huì)發(fā)現(xiàn)par的值增加了8,這是因?yàn)橹赶蛑羔樀闹羔槪瑢?duì)應(yīng)的變量是指針,也就是長度就是指針類型的長度,在64位平臺(tái)下為8,如果在32位平臺(tái)則為4,這些知識(shí)理解起來并不困難,但是這些特性在工程運(yùn)用中稍有不慎,就會(huì)埋下不易察覺的問題。另外指針還支持強(qiáng)制轉(zhuǎn)換,這在某些情況下相當(dāng)有用,參考如下代碼:int main(void)
{
char cval[] = "hello";
int i;
int ival[] = {1, 2, 3, 4};
int arr_val[][2] = {{1, 2}, {3, 4}};
const char *pconst = "hello";
char *p;
int *pi;
int *pa;
int **par;
p = cval;
p++; //addr增加1
pi = ival;
pi+=1; //addr增加4
pa = arr_val[0];
pa+=1; //addr增加4
par = arr_val;
par++; //addr增加8
for(i=0; i
{
printf("%d ", cval[i]);
}
printf(" ");
printf("pconst:%s ", pconst);
printf("addr:%d, %d ", cval, p);
printf("addr:%d, %d ", icval, pi);
printf("addr:%d, %d ", arr_val, pa);
printf("addr:%d, %d ", arr_val, par);
}
/* PC端64位系統(tǒng)下運(yùn)行結(jié)果
0x68 0x65 0x6c 0x6c 0x6f 0x0
pconst:hello
addr:6421994, 6421995
addr:6421968, 6421972
addr:6421936, 6421940
addr:6421936, 6421944 */
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
基于指針的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換,在協(xié)議解析,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理中高效快捷的解決了數(shù)據(jù)解析的問題,但是在處理過程中涉及的數(shù)據(jù)對(duì)齊,大小端,是常見且十分易錯(cuò)的問題,如上面arr字符數(shù)組,通過__align(4)強(qiáng)制定義為4字節(jié)對(duì)齊是必要的,這里可以保證后續(xù)轉(zhuǎn)換成int指針訪問時(shí),不會(huì)觸發(fā)非對(duì)齊訪問異常,如果沒有強(qiáng)制定義,char默認(rèn)是1字節(jié)對(duì)齊的,當(dāng)然這并不就是一定觸發(fā)異常(由整個(gè)內(nèi)存的布局決定arr的地址,也與實(shí)際使用的空間是否支持非對(duì)齊訪問有關(guān),如部分SDRAM使用非對(duì)齊訪問時(shí),會(huì)觸發(fā)異常),?這就導(dǎo)致可能增減其它變量,就可能觸發(fā)這種異常,而出異常的地方往往和添加的變量毫無關(guān)系,而且代碼在某些平臺(tái)運(yùn)行正常,切換平臺(tái)后觸發(fā)異常,這種隱蔽的現(xiàn)象是嵌入式中很難查找解決的問題。另外,C語言指針還有特殊的用法就是通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)換給特定的物理地址訪問,通過函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)回調(diào),如下:
typedef struct
{
int b;
int a;
}STRUCT_VAL;
static __align(4) char arr[8] = {0x12, 0x23, 0x34, 0x45, 0x56, 0x12, 0x24, 0x53};
int main(void)
{
STRUCT_VAL *pval;
int *ptr;
pval = (STRUCT_VAL *)arr;
ptr = (int *)&arr[4];
printf("val:%d, %d", pval->a, pval->b);
printf("val:%d,", *ptr);
}
//0x45342312 0x53241256
//0x53241256
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
這里說明下,volatile易變的,可變的,一般用于以下幾種狀況:
typedef int (*pfunc)(int, int);
int func_add(int a, int b)
{
return a+b;
}
int main(void)
{
pfunc *func_ptr;
*(volatile uint32_t *)0x20001000 = 0x01a23131;
func_ptr = func_add;
printf("%d ", func_ptr(1, 2));
}
-
并行設(shè)備的硬件寄存器,如:狀態(tài)寄存器)
-
一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì)訪問到的非自動(dòng)變量(Non-automatic variables)
-
多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量
- ?
- ?
聯(lián)合體的是能在同一個(gè)存儲(chǔ)空間里存儲(chǔ)不同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型,對(duì)于聯(lián)合體的占用空間,則是以其中占用空間最大的變量為準(zhǔn),如下:typedef?enum?{spring=1,?summer,?autumn,?winter?}season;
season s1 = summer;
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
聯(lián)合體的用途主要通過共享內(nèi)存地址的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)部段的訪問,這在解析某些變量時(shí),提供了更為簡(jiǎn)便的方式,此外測(cè)試芯片的大小端模式也是聯(lián)合體的常見應(yīng)用,當(dāng)然利用指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換,也能實(shí)現(xiàn)該目的,實(shí)現(xiàn)如下:typedef union{
char c;
short s;
int i;
}UNION_VAL;
UNION_VAL val;
int main(void)
{
printf("addr:0x%x, 0x%x, 0x%x ",
(int)(&(val.c)), (int)(&(val.s)), (int)(&(val.i)));
val.i = 0x12345678;
if(val.s == 0x5678)
printf("小端模式 ");
else
printf("大端模式 ");
}
/*
addr:0x407970, 0x407970, 0x407970
小端模式
*/
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
可以看出使用聯(lián)合體在某些情況下可以避免對(duì)指針的濫用。結(jié)構(gòu)體則是將具有共通特征的變量組成的集合,比起C++的類來說,它沒有安全訪問的限制,不支持直接內(nèi)部帶函數(shù),但通過自定義數(shù)據(jù)類型,函數(shù)指針,仍然能夠?qū)崿F(xiàn)很多類似于類的操作,對(duì)于大部分嵌入式項(xiàng)目來說,結(jié)構(gòu)化處理數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化整體架構(gòu)以及后期維護(hù)大有便利。C語言的結(jié)構(gòu)體支持指針和變量的方式訪問,通過轉(zhuǎn)換可以解析任意內(nèi)存的數(shù)據(jù),如我們之前提到的通過指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換解析協(xié)議。另外通過將數(shù)據(jù)和函數(shù)指針打包,在通過指針傳遞,是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)層實(shí)接口切換的重要基礎(chǔ),有著重要的實(shí)踐意義,另外基于位域,聯(lián)合體,結(jié)構(gòu)體,可以實(shí)現(xiàn)另一種位操作,這對(duì)于封裝底層硬件寄存器具有重要意義。通過聯(lián)合體和位域操作,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)bit的訪問,這在寄存器以及內(nèi)存受限的平臺(tái),提供了簡(jiǎn)便且直觀的處理方式,另外對(duì)于結(jié)構(gòu)體的另一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)就是對(duì)齊了,通過對(duì)齊訪問,可以大幅度提高運(yùn)行效率,但是因?yàn)閷?duì)齊引入的存儲(chǔ)長度問題,也是容易出錯(cuò)的問題,對(duì)于對(duì)齊的理解,可以分類為如下說明。int data = 0x12345678;
short *pdata = (short *)&data;
if(*pdata = 0x5678)
printf("%s ", "小端模式");
else
printf("%s ", "大端模式");
-
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型:以默認(rèn)的的長度對(duì)齊,如char以1字節(jié)對(duì)齊,short以2字節(jié)對(duì)齊等
-
數(shù)組 :按照基本數(shù)據(jù)類型對(duì)齊,第一個(gè)對(duì)齊了后面的自然也就對(duì)齊了。
-
聯(lián)合體 :按其包含的長度最大的數(shù)據(jù)類型對(duì)齊。
-
結(jié)構(gòu)體:結(jié)構(gòu)體中每個(gè)數(shù)據(jù)類型都要對(duì)齊,結(jié)構(gòu)體本身以內(nèi)部最大數(shù)據(jù)類型長度對(duì)齊
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
#if..#elif...#else...#endif, #ifdef..#endif, #ifndef...#endif條件選擇判斷,條件選擇主要用于切換代碼塊,這種綜合性項(xiàng)目和跨平臺(tái)項(xiàng)目中為了滿足多種情況下的需求往往會(huì)被使用。#undef 取消定義的參數(shù),避免重定義問題。#error,#warning用于用戶自定義的告警信息,配合#if,#ifdef使用,可以限制錯(cuò)誤的預(yù)定義配置。#pragma 帶參數(shù)的預(yù)定義處理,常見的#pragma pack(1), 不過使用后會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的整個(gè)文件都以設(shè)置的字節(jié)對(duì)齊,配合push和pop可以解決這種問題,代碼如下:printf("error loop ");
}while(0);
int global(v) = 10;
int global(add)(int a, int b)
{
return a+b;
}
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
- ?
?總結(jié) ?嵌入式C語言在處理硬件物理地址、位操作、內(nèi)存訪問方面都給予開發(fā)者了充分的自由,相關(guān)文章:STM32開發(fā)中的位運(yùn)算以及位帶操作。 ?通過數(shù)組,指針以及強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的技巧,可以有效減少數(shù)據(jù)處理中的復(fù)制過程,這對(duì)于底層是必要的,也方便了整個(gè)架構(gòu)的開發(fā)。對(duì)于任何嵌入式C語言開發(fā)的從業(yè)者,清晰的掌握這些基礎(chǔ)的知識(shí)是必要的。 ? 審核編輯:湯梓紅#pragma pack(push)
#pragma pack(1)
struct TestA
{
char i;
int b;
}A;
#pragma pack(pop); //注意要調(diào)用pop,否則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)文件都以pack定義值對(duì)齊,執(zhí)行不符合預(yù)期
//等同于
struct _TestB{
char i;
int b;
}__attribute__((packed))A;
評(píng)論
查看更多