導(dǎo)讀:怎么做好嵌入式?相信這個(gè)問(wèn)題無(wú)論問(wèn)誰(shuí)你都會(huì)得到一句學(xué)好C語(yǔ)言!今天推薦一篇大佬寫(xiě)的嵌入式C語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)總結(jié),非常值得一讀。
從語(yǔ)法上來(lái)說(shuō)C語(yǔ)言并不復(fù)雜, 但編寫(xiě)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(yǔ)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(yǔ)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(lèi)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(yǔ)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(kāi)發(fā),它包含數(shù)據(jù)類(lèi)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(yǔ)言從語(yǔ)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(lèi)型
C語(yǔ)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(lèi)型來(lái)滿(mǎn)足特殊的地址操作。C語(yǔ)言只規(guī)定了每種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的最小取值范圍,因此在不同芯片平臺(tái)上相同類(lèi)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(yǔ)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(lèi)型如int的寬度,這就需要C語(yǔ)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(yǔ)言允許程序變量在定義時(shí)就確定內(nèi)存地址,通過(guò)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(chēng)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(wèn)題也最多。 這里先看個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言實(shí)例。
C語(yǔ)言的作用域不僅描述了標(biāo)識(shí)符的可訪問(wèn)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(wèn),而代碼塊作用域中的變量a, ptr和local_st_val則要根據(jù)類(lèi)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(wèn)), 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(yǔ)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(lái)說(shuō),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(yǔ)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(hù)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(yè)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(kāi)發(fā)中是常用且重要,不過(guò)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(lái)說(shuō),使用起來(lái)和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言一致,注意malloc后的檢查,釋放后記得置空,避免"野指針“,不過(guò)對(duì)于資源受限的單片機(jī)來(lái)說(shuō),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(wèn)題,常見(jiàn)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
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? 對(duì)于數(shù)組來(lái)說(shuō),一般從0開(kāi)始獲取值,以length-1作為結(jié)束,通過(guò)[0, length)半開(kāi)半閉區(qū)間訪問(wèn),這一般不會(huì)出問(wèn)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(wèn)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(wèn)的下標(biāo)變量i定義為unsigned char類(lèi)型,而C語(yǔ)言中unsigned char類(lèi)型的范圍是0~255,如果數(shù)組較大,會(huì)導(dǎo)致數(shù)組超過(guò)時(shí)無(wú)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(guò),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(lèi)型相關(guān),如char類(lèi)型為1,int類(lèi)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(lèi)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(lái)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(jué)的問(wèn)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(wèn)題,但是在處理過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)對(duì)齊,大小端,是常見(jiàn)且十分易錯(cuò)的問(wèn)題,如上面arr字符數(shù)組,通過(guò)__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(wèn)時(shí),不會(huì)觸發(fā)非對(duì)齊訪問(wèn)異常,如果沒(méi)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(wèn)有關(guān),如部分SDRAM使用非對(duì)齊訪問(wèn)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(wú)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(wèn)題。另外,C語(yǔ)言指針還有特殊的用法就是通過(guò)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換給特定的物理地址訪問(wèn),通過(guò)函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)回調(diào),如下:
這里說(shuō)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(wèn)到的非自動(dòng)變量(Non-automatic variables) 3)多線(xiàn)程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量 volatile可以解決用戶(hù)模式和異常中斷訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí),出現(xiàn)的不同步問(wèn)題,另外在訪問(wèn)硬件地址時(shí),volatile也阻止對(duì)地址訪問(wèn)的優(yōu)化,從而確保訪問(wèn)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(kāi)發(fā)中并不常見(jiàn),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(shuō)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(lèi)型和對(duì)齊 C語(yǔ)言提供自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)描述一類(lèi)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(guò)別名限制數(shù)據(jù)的訪問(wèn),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(lèi)型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)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(guò)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(wèn),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(jiàn)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(lèi)來(lái)說(shuō),它沒(méi)有安全訪問(wèn)的限制,不支持直接內(nèi)部帶函數(shù),但通過(guò)自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型,函數(shù)指針,仍然能夠?qū)崿F(xiàn)很多類(lèi)似于類(lèi)的操作,對(duì)于大部分嵌入式項(xiàng)目來(lái)說(shuō),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(shuō)明:
C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體支持指針和變量的方式訪問(wèn),通過(guò)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(guò)指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換解析協(xié)議),另外通過(guò)將數(shù)據(jù)和函數(shù)指針打包,在通過(guò)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(guò)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(wèn),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(guò)對(duì)齊訪問(wèn),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(wèn)題,也是容易出錯(cuò)的問(wèn)題,對(duì)于對(duì)齊的理解,可以分類(lèi)為如下說(shuō)明。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi)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(lèi)型對(duì)齊。 結(jié)構(gòu)體:結(jié)構(gòu)體中每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型都要對(duì)齊,結(jié)構(gòu)體本身以?xún)?nèi)部最大數(shù)據(jù)類(lèi)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(guò)填充來(lái)理解C語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)言通過(guò)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(yǔ)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(yǔ)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(kù)路徑還是用戶(hù)自定義路徑開(kāi)始檢索。 #define宏定義,常見(jiàn)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(mǎn)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(wèn)題。 #error,#warning用于用戶(hù)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(jiàn)的#pragma pack(1), 不過(guò)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(wèn)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(yǔ)言有了比較清晰的認(rèn)識(shí),嵌入式C語(yǔ)言在處理硬件物理地址,位操作,內(nèi)存訪問(wèn),都給予開(kāi)發(fā)者了充分的自由,通過(guò)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(guò)程,這對(duì)于底層是必要的,也方便了整個(gè)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)。但是由這種自由帶來(lái)的非法訪問(wèn),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(wèn)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(lái)說(shuō),如果本身的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮清楚這些問(wèn)題,往往代表著問(wèn)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(yǔ)言的初步總結(jié)就到此為止,但C語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)說(shuō)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(shuō)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
評(píng)論
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