關(guān)于嵌入式C語言的初步總結(jié)

導(dǎo)讀：怎么做好嵌入式？相信這個(gè)問題無論問誰你都會(huì)得到一句學(xué)好C語言！今天推薦一篇大佬寫的嵌入式C語言知識(shí)點(diǎn)總結(jié)，非常值得一讀。

從語法上來說C語言并不復(fù)雜， 但編寫優(yōu)質(zhì)可靠的嵌入式C程序并非易事，不僅需要熟知硬件特性和缺陷，還需要對(duì)編譯原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)有著一定的了解。

本文以嵌入式實(shí)踐為基礎(chǔ)，再結(jié)合相關(guān)資料, 闡述嵌入式需要了解的C語言知識(shí)和重點(diǎn)，希望每個(gè)讀到這篇文章的人都能有所收獲。

1?關(guān)鍵字

關(guān)鍵字是C語言中具有特殊功能的保留標(biāo)示符，按照功能可分為

1). 數(shù)據(jù)類型(常用char, short, int, long, unsigned, float, double)

2). 運(yùn)算和表達(dá)式(?=, +, -, *, while, do-while, if, goto, switch-case)

3). 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(auto， static， extern，const， register，volatile，restricted)，

4). 結(jié)構(gòu)(struct, enum, union,typedef),

5). 位操作和邏輯運(yùn)算(<<, >>, &, |, ~，^, &&)，

6). 預(yù)處理(#define, #include, #error，#if...#elif...#else...#endif等)，

7). 平臺(tái)擴(kuò)展關(guān)鍵字(__asm, __inline，__syscall)

這些關(guān)鍵字共同構(gòu)成了嵌入式平臺(tái)的C語法。

嵌入式的應(yīng)用從邏輯上可以抽象為三個(gè)部分：

1). 數(shù)據(jù)的輸入(如傳感器，信號(hào)，接口輸入),

2). 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)

3). 數(shù)據(jù)的輸出(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)，

對(duì)于數(shù)據(jù)的管理就貫穿著整個(gè)嵌入式應(yīng)用的開發(fā)，它包含數(shù)據(jù)類型，存儲(chǔ)空間管理，位和邏輯操作，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，C語言從語法上支撐上述功能的實(shí)現(xiàn)，并提供相應(yīng)的優(yōu)化機(jī)制，以應(yīng)對(duì)嵌入式下更受限的資源環(huán)境。

2?數(shù)據(jù)類型

C語言支持常用的字符型，整型，浮點(diǎn)型變量，有些編譯器如keil還擴(kuò)展支持bit(位)和sfr(寄存器)等數(shù)據(jù)類型來滿足特殊的地址操作。C語言只規(guī)定了每種基本數(shù)據(jù)類型的最小取值范圍，因此在不同芯片平臺(tái)上相同類型可能占用不同長(zhǎng)度的存儲(chǔ)空間，這就需要在代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮后續(xù)移植的兼容性，而C語言提供的typedef就是用于處理這種情況的關(guān)鍵字，在大部分支持跨平臺(tái)的軟件項(xiàng)目中被采用，典型的如下:

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。

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。 3?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)： 1). 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。 2). 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。 3). 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。 這里先看個(gè)簡(jiǎn)單的C語言實(shí)例。

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。

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 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?，這里只簡(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，可以參考中關(guān)于存儲(chǔ)相關(guān)的說明。 4?指針和數(shù)組 數(shù)組和指針往往是引起程序bug的主要原因，如數(shù)組越界，指針越界，非法地址訪問，非對(duì)齊訪問，這些問題背后往往都有指針和數(shù)組的影子，因此理解和掌握指針和數(shù)組，是成為合格C語言開發(fā)者的必經(jīng)之路。 數(shù)組是由相同類型元素構(gòu)成，當(dāng)它被聲明時(shí)，編譯器就根據(jù)內(nèi)部元素的特性在內(nèi)存中分配一段空間，另外C語言也提供多維數(shù)組，以應(yīng)對(duì)特殊場(chǎng)景的需求，而指針則是提供使用地址的符號(hào)方法，只有指向具體的地址才有意義，C語言的指針具有最大的靈活性，在被訪問前，可以指向任何地址，這大大方便了對(duì)硬件的操作，但同時(shí)也對(duì)開發(fā)者有了更高的要求。參考如下代碼。

? 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。 在前面提到過，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(zhǎng)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?，?duì)應(yīng)的變量是指針，也就是長(zhǎng)度就是指針類型的長(zhǎng)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：

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：

這里說明下，volatile易變的，可變的，一般用于以下幾種狀況： 1）并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器） 2）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) 3）多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量 volatile可以解決用戶模式和異常中斷訪問同一個(gè)變量時(shí)，出現(xiàn)的不同步問題，另外在訪問硬件地址時(shí)，volatile也阻止對(duì)地址訪問的優(yōu)化，從而確保訪問的實(shí)際的地址，精通volatile的運(yùn)用，在嵌入式底層中十分重要，也是嵌入式C從業(yè)者的基本要求之一。函數(shù)指針在一般嵌入式軟件的開發(fā)中并不常見，但對(duì)許多重要的實(shí)現(xiàn)如異步回調(diào)，驅(qū)動(dòng)模塊，使用函數(shù)指針就可以利用簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)很多應(yīng)用，當(dāng)然我這里只能說是拋磚引玉，許多細(xì)節(jié)知識(shí)是值得詳細(xì)去了解掌握的。 5?結(jié)構(gòu)類型和對(duì)齊 C語言提供自定義數(shù)據(jù)類型來描述一類具有相同特征點(diǎn)的事務(wù)，主要支持的有結(jié)構(gòu)體，枚舉和聯(lián)合體。其中枚舉通過別名限制數(shù)據(jù)的訪問，可以讓數(shù)據(jù)更直觀，易讀，實(shí)現(xiàn)如下：

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：

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：

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，下面舉例說明：

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，實(shí)踐如下：

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(zhǎng)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。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：以默認(rèn)的的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)齊

其中union聯(lián)合體的大小與內(nèi)部最大的變量int一致，為4字節(jié)，根據(jù)讀取的值，就知道實(shí)際內(nèi)存布局和填充的位置是一致，事實(shí)上學(xué)會(huì)通過填充來理解C語言的對(duì)齊機(jī)制，是有效且快捷的方式。 6?預(yù)處理機(jī)制 C語言提供了豐富的預(yù)處理機(jī)制，方便了跨平臺(tái)的代碼的實(shí)現(xiàn)，此外C語言通過宏機(jī)制實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)和代碼塊替換，字符串格式化，代碼段切換，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要意義，下面按照功能需求，描述在C語言運(yùn)用中的常用預(yù)處理機(jī)制。 #include 包含文件命令，在C語言中，它執(zhí)行的效果是將包含文件中的所有內(nèi)容插入到當(dāng)前位置，這不只包含頭文件，一些參數(shù)文件，配置文件，也可以使用該文件插入到當(dāng)前代碼的指定位置。其中<>和""分別表示從標(biāo)準(zhǔn)庫路徑還是用戶自定義路徑開始檢索。 #define宏定義，常見的用法包含定義常量或者代碼段別名，當(dāng)然某些情況下配合##格式化字符串，可以實(shí)現(xiàn)接口的統(tǒng)一化處理，實(shí)例如下：

#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：

7?總結(jié) 如果你看到了這里，那么應(yīng)該對(duì)C語言有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，嵌入式C語言在處理硬件物理地址，位操作，內(nèi)存訪問，都給予開發(fā)者了充分的自由，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)。但是由這種自由帶來的非法訪問，溢出，越界，以及不同硬件平臺(tái)對(duì)齊，數(shù)據(jù)寬度，大小端問題，在功能設(shè)計(jì)人員手里一般還能夠處理，對(duì)于后續(xù)接手項(xiàng)目的人來說，如果本身的設(shè)計(jì)沒有考慮清楚這些問題，往往代表著問題和麻煩，所以對(duì)于任何嵌入式C的從業(yè)者，清晰的掌握這些基礎(chǔ)的知識(shí)和必要的。 講到這里，關(guān)于嵌入式C語言的初步總結(jié)就到此為止，但C語言在嵌入式運(yùn)用的中的重點(diǎn)和難點(diǎn)并不僅僅只有這些，如嵌入式C語言支持的內(nèi)聯(lián)匯編，通訊間的可靠性實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和完整性保證，這些工程上的運(yùn)用和技巧，都很難用簡(jiǎn)單的言語說清楚，另外有關(guān)異常觸發(fā)后的查找和解決的技巧，也值得詳細(xì)的說明，這里因?yàn)槠约白约哼€未整理清晰，就先到此為止。

編輯：黃飛

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