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2016年嵌入式開(kāi)發(fā)C語(yǔ)言問(wèn)題詳解
嵌入式系統的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常遇到這樣那樣的問(wèn)題。有些問(wèn)題可能很快就能找到原因，但是有些問(wèn)題必須有一定的經(jīng)驗積累才能快速找到原因。
yjbys小編整理了本人所了解的和經(jīng)常遇到的嵌入式開(kāi)發(fā)中的C語(yǔ)言典型問(wèn)題，不足之處歡迎各位專(zhuān)家指摘賜教。
一、由編譯優(yōu)化引起的問(wèn)題
例1、編譯后的匯編語(yǔ)言處理邏輯跟C語(yǔ)言處理邏輯不一致
由于編譯器的原因，在設置了編譯優(yōu)化的情況下，編譯后有些代碼的邏輯會(huì )發(fā)生變化。這種情況下會(huì )發(fā)生很奇怪的問(wèn)題，一些函數的處理結果跟預想的不一致，而檢查代碼又看不出什么問(wèn)題。
這種問(wèn)題的解決辦法一般是在充分分析軟件處理邏輯，確認處理上沒(méi)問(wèn)題后，把編譯后的列表文件(*.lis)和C語(yǔ)言處理邏輯逐行對照。把不一致的地方找出來(lái)，并尋找修正對策。
例2、編譯后的一些處理被優(yōu)化了
這種問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生在硬件寄存器的操作上。對于硬件而言，每一次讀寫(xiě)操作可能都有特定的含義：某些硬件寄存器要求讀一下才能做后續其他處理;而某些寄存器要連續寫(xiě)幾次。比如下面的情形：
#define TSTREG (unsigned char *) 0x00C00032 /*TEST REGISTER */
unsigned char *pTSTR;
pTSTR = TSTREG;
*pTSTR = 0x01; //這個(gè)操作很容易被編譯器優(yōu)化掉。
*pTSTR = 0x02;
……
作為對策之一，可以在定義變量時(shí)加上volatile關(guān)鍵字。比如：
volatile unsigned char *pTSTR;
volatile關(guān)鍵詞影響編譯器編譯的結果，用volatile聲明的變量表示該變量隨時(shí)可能發(fā)生變化，與該變量有關(guān)的運算，不要進(jìn)行編譯優(yōu)化，以免出錯。使用volatile變量的幾個(gè)場(chǎng)景：
1)中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile。
2)多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的標志應該加volatile。
3)存儲器映射的硬件寄存器通常也要加voliate，因為每次對它的讀寫(xiě)都可能有不同意義。
二、由字節對齊引起的問(wèn)題
一個(gè)結構體變量定義完之后，其在內存中的存儲并不一定等于其所包含元素的寬度之和。因為這里涉及到字節對齊的問(wèn)題。
結構體中元素的對齊基本上遵循兩個(gè)基本原則：
原則一：結構體中元素是按照定義順序一個(gè)一個(gè)放到內存中去的，但并不是緊密排列的。從結構體存儲的首地址開(kāi)始，每一個(gè)元素放置到內存中時(shí)，它都會(huì )認為內存是以它自己的大小來(lái)劃分的，因此元素放置的位置一定會(huì )在自己寬度的整數倍上開(kāi)始(以結構體變量首地址為0計算)。
原則二：在經(jīng)過(guò)第一原則分析后，檢查計算出的存儲單元是否為所有元素中最寬的元素的長(cháng)度的整數倍。若是，則結束;若不是，則補齊為它的整數倍。
每個(gè)特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數”(也叫對齊模數或邊界調整數)。通常，可以通過(guò)預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來(lái)改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊系數”。
#pragma pack(n) //編譯器將按照n字節對齊
#pragma pack() //編譯器將取消自定義字節對齊方式
在#pragma pack(n)和#pragma pack()之間的代碼按n字節對齊。但是成員對齊有一個(gè)重要的條件，即每個(gè)成員按照自己的對齊方式對齊; 也就是說(shuō)雖然指定了按n字節對齊，但并不是所有的成員都以n字節對齊。對齊的規則是：每個(gè)成員按其類(lèi)型的對齊參數(通常是這個(gè)類(lèi)型的大小)和指定對齊參數(這里是n字節)中較小的一個(gè)對齊，即min(n,sizeof(item))，并且結構的長(cháng)度必須為所用過(guò)的所有對齊參數的整數倍，不夠就補空字節。
以瑞薩SH7145F CPU和XASS-V編譯器為例，根據XASS-V幫助文件，對于SH7145F，其結構體成員的默認對齊系數如下：
char：1
short：2
int：4
long：4
float：4
long long：4
double：4
指針：4
結構體/聯(lián)合體：4
數組：根據類(lèi)型而定
在編譯的時(shí)候可以通過(guò)設置 /bond = n, n=4(一般情況)，來(lái)指定邊界調整系數。因此，實(shí)際采用/bond=n中的n和上述默認對齊系數中的較小者。
由于跟特定編譯器有關(guān)，所以下面的例子僅限XASS-V編譯器，目標CPU是瑞薩SH7145F。
例1、假設 /bond=4，進(jìn)行如下定義：
typedef unsigned char UCHAR;
/* 結構體定義*/
typedef struct{
union{
UCHAR SO_bit7;
UCHAR DMY0_bit56;
UCHAR LNO_bit04;
} DL; /* 預想BYTE0 */
UCHAR ORDN;
union{
UCHAR RW_bit7;
UCHAR DTNO_bit06;
}RD; /* 預想BYTE1 */
UCHAR ADRH; /* 預想BYTE2 */
UCHAR ADRL; /* 預想BYTE3 */
UCHAR DATA; /* 預想BYTE4 */
}stTEST;
/* 變量定義*/
UCHAR TEST[6];
stTEST *pTEM=( stTEST *) TEST;
這樣執行后，pTEM->ADRH并不是對應TEST [3]，導致了數據處理錯誤。
原因分析：
由邊界調整數決定，union只能在4的倍數的地址上存放;且UNION類(lèi)型要占用4*X Byte，故后面有3Byte的Dummy。即UNION{xxx}DL占用了4Byte。
依次類(lèi)推，整個(gè)結構體元素的內存分布如下：
UNION{xxx}DL; /* Byte0~Byte3: 后3Byte Dummy*/
UCHAR ORDN; /* Byte4~Byte7: 后3Byte Dummy*/
UNION{xxx}RD; /* Byte8~Byte11: 后3Byte Dummy*/
UCHAR ADRH; /* Byte12*/
UCHAR ADRL; /* Byte13*/
UCHAR DATA; /* Byte14~Byte15: 后1Byte Dummy*/
Byte5~Byte7的Dummy是因為UNION成員必須在4的倍數的地址上存放。
Byte15的Dummy是整個(gè)結構體大小必須是4的倍數。
所以sizeof(stTEST)=16， pTEM->ADRH對應為Byte12，不是預想的TEST[3]。
三、由變量類(lèi)型不匹配引起的問(wèn)題
例1、循環(huán)變量溢出
UCHAR i = 0x00;
/* 版本1：100個(gè)循環(huán) */
for(i=0;i<100;i++) { /* 處理：略*/}
/* 版本2：1000個(gè)循環(huán) */
for(i=0;i<1000;i++) { /* 處理：略*/}
一開(kāi)始需求是100個(gè)循環(huán)，而后面需求變更為1000個(gè)循環(huán)，但忘記修改循環(huán)變量類(lèi)型。以為UCHAR的有效范圍是0~255，顯然不滿(mǎn)足版本2的要求。這種情況會(huì )發(fā)生在循環(huán)變量定義的位置距離循環(huán)體比較遠的時(shí)候，在無(wú)意識中忽略了。
四、由數組下標越界引起的問(wèn)題
常見(jiàn)的是指定的數組下標超過(guò)了數組最大有效下標。很多情況下不會(huì )導致程序奔潰，但是取出的數據顯然是不正確的。
五、由字節序引起的問(wèn)題
字節序主要體現大于1Byte的數據的存儲方式上。對于CPU而言，有MSB FIRST和LSB FIRST兩種存儲方式。MSB指Most Significant Bit，即最高有效位;LSB指Lest Significant Bit，即最低有效位。簡(jiǎn)單地說(shuō)，MSB FIRST就是高位優(yōu)先存儲，即高位存儲在低地址上，低位存儲在高地址上，簡(jiǎn)稱(chēng)“高低低高”。LSB FIRST則相反，即低位優(yōu)先存儲，高位存儲在高地址上，低位存儲在低地址上，簡(jiǎn)稱(chēng)“高高低低”。大部分嵌入式系統的CPU是MSB FIRST的，少部分是LSB FIRST的。常見(jiàn)的LSB FIRST的CPU是INTEL的。
類(lèi)似的，在網(wǎng)絡(luò )通信方面有兩種字節序：“Big-Endian”和“Small-Endian”。 指的都是對于多字節的數據類(lèi)型(比如4字節的32位整數)，其多個(gè)字節的順序問(wèn)題，是最高字節在前(Big-Endian)還是最低字節在前(Small-Endian)。 比如對于123456789這個(gè)整數，其16進(jìn)制為0x075BCD15，那么按照Big-Endian的方式，它在網(wǎng)絡(luò )上傳輸(或者在內存里存儲)的4個(gè)字節依次是：07 5B CD 15，而Small-Endian的順序正相反，是：15 CD 5B 07。處于通信的雙方必須按相同的字節序進(jìn)行收發(fā)數據處理，才能得出正常的結果。
例1、應用程序A以075BCD15的字節序(Big-Endian)發(fā)送數據123456789給應用程序B，但應用程序B卻以15CD5B07的字節序(Small-Endian)處理，則雙方?jīng)]法正常通信。
六、由UNION元素賦值引起的問(wèn)題
一個(gè)UNION元素的值由最后那次設定決定的。有些時(shí)候，無(wú)意中對一個(gè)UNION元素連續賦值，就會(huì )發(fā)生意料之外的問(wèn)題。
例1、以前面的結構體類(lèi)型stTEST 為例，做如下設置。
stTEST tTst;
tTst.DL.SO_bit7=0x80; /* SO使用bit7 */
tTst.DL. LNO_bit04=0x01; /* LNO使用bit0~bit4 */
這樣設置后，最終SO=0，而不是預先希望的SO=1。
七、由運算符優(yōu)先級引起的問(wèn)題
運算符優(yōu)先級處理不好也會(huì )引入一些潛在的問(wèn)題。
例1、邏輯運算符與條件運算符
int a=0x02;
if((a&0x03)!=0x00) /*表達式1*/
if(a&0x03!=0x00) /*表達式2*/
表達式1：先執行0x02&0x03=>0x02，再執行0x02 !=0x00，故結果為T(mén)RUE。
表達式2：先執行0x03 !=0x00=>TRUE(結果是0x01)，再執行0x02&0x01，結果為0x00即FALSE。
顯然，表達式1才是正確的寫(xiě)法。如果把用表達式2的形式就會(huì )引入一些潛在的問(wèn)題。
例2、指針取值運算，邏輯運算符與條件運算符
if((*pSTSRG&0x01)==0x00) /*表達式1*/
if(((*pSTSRG)&0x01)==0x00) /*表達式2*/
if(*pSTSRG&0x01==0x00) /*表達式3*/
顯然，表達式1和表達式2是正確寫(xiě)法，而且最保險的寫(xiě)法是表達式2。而表達式3是錯誤寫(xiě)法。
從上面的例子可以看出，由于運算符優(yōu)先級不太方便記憶，也沒(méi)必要去記憶，最規避這類(lèi)問(wèn)題的最好辦法就是給表達式強制加上括號。
八、由中斷優(yōu)先級引起的問(wèn)題
在多線(xiàn)程應用程序開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常會(huì )用信號量等方式來(lái)保證共享資源的訪(fǎng)問(wèn)。但是在有多個(gè)中斷的應用程序中，經(jīng)常會(huì )無(wú)意識地略掉中斷優(yōu)先級，導致引入一些潛在的問(wèn)題。
例1、中斷IRQ1每1ms發(fā)生1次，中斷IRQ4每4ms發(fā)生1次，且IRQ4的優(yōu)先級高于IRQ1。在IRQ1和IRQ4的處理過(guò)程都會(huì )設置全局變量tData。該如何安排IRQ1和IRQ4的處理邏輯?
因為低優(yōu)先級的中斷IRQ1未處理完成時(shí)，如果發(fā)生高優(yōu)先級的中斷IRQ4，則IRQ1的處理會(huì )把相關(guān)上下文壓棧，暫時(shí)掛起，等IRQ4處理完成后才繼續處理IRQ1。由于IRQ4也會(huì )修改全局變量tData，如果沒(méi)有任何保護措施，則IRQ1的處理可能會(huì )不完全正確。作為對策之一就是在IRQ1的處理中加入中斷屏蔽。
/* IRQ1的中斷處理函數 */
IRQ1_Handler()
{
xxx; /* 屏蔽所有中斷 */
yyy; /* 相關(guān)處理 */
zzz; /* 解除中斷屏蔽 */
}
當然，上述處理的前提是IRQ4是可屏蔽中斷。
九、由匯編語(yǔ)言轉C語(yǔ)言引起的問(wèn)題
由于CPU的更換，原先用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統轉換為用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的情形也是存在的。這種情況也經(jīng)常會(huì )引入一些問(wèn)題。
例1、CPU字節序不同而引起的問(wèn)題
關(guān)于字節序參考前面的內容。當用到一個(gè)大于1Byte的變量的時(shí)候，必須了解新舊CPU的字節序，正確操作大于1Byte的變量，才能保證不會(huì )因為高低位倒置而引入問(wèn)題。
例2、CPU頻率不同而引起的問(wèn)題
在匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統中，經(jīng)常會(huì )用一些循環(huán)來(lái)實(shí)現微秒級的延時(shí)。特別在串口通信中，硬件寄存器對時(shí)間非常敏感，如果在轉換成C語(yǔ)言時(shí)沒(méi)有考慮到這點(diǎn)，沒(méi)有及時(shí)調整循環(huán)次數，就會(huì )因為CPU頻率變高而導致延時(shí)不足。
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