引言怎么才能做好嵌入式開(kāi)發(fā)?學(xué)好C語(yǔ)言吧!今天就來(lái)推薦一篇大佬寫(xiě)的嵌入式C語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)總結(jié)。C語(yǔ)言中的關(guān)鍵字 C語(yǔ)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)
這些關(guān)鍵字共同構(gòu)成了嵌入式平臺(tái)的C語(yǔ)言語(yǔ)法。嵌入式的應(yīng)用從邏輯上可以抽象為三個(gè)部分:
數(shù)據(jù)的輸入,如傳感器,信號(hào),接口輸入
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
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。數(shù)據(jù)類型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)類型來(lái)滿足特殊的地址操作。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(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:
typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned short uint16_t;typedef unsigned int uint32_t;......typedef signed int int32_t;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(yǔ)言提供的接口sizeof,實(shí)現(xiàn)如下。
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:
char *p;printf("point p size:%d ", sizeof(p));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(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):
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(wèn)題也最多。
這里先看個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言實(shí)例。
//main.c#include
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"))); 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(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(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
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8for(i=0; i
#include
#include
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(wèn)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
volatile可以解決用戶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。結(jié)構(gòu)類型和對(duì)齊 C語(yǔ)言提供自定義數(shù)據(jù)類型來(lái)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(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:
typedefenum{spring=1,summer,autumn,winter}season;season s1 = summer; 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 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*/ 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:
int data = 0x12345678; short *pdata = (short *)&data; if(*pdata = 0x5678) printf("%s ", "小端模式"); else printf("%s ", "大端模式"); 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(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(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。 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。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,可以分類為如下說(shuō)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(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。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:
#define MAX_SIZE 10#define MODULE_ON 1#define ERROR_LOOP() do{ printf("error loop "); }while(0);#define global(val) g_##valint global(v) = 10;int global(add)(int a, int b){return a+b;} #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(wèn)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(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:
#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;總結(jié) 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)方面都給予開(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)。對(duì)于任何嵌入式C語(yǔ)言開(kāi)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。
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