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成为高手你需要知道的嵌入式C语言内存操作知识

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gaosmile 发布时间:2020-3-30 12:43
数据指针
" n+ @2 M* w& `9 o) V7 E; [在嵌入式系统的编程中,常常要求在特定的内存单元读写内容,汇编有对应的MOV指令,而除C/C++以外的其它编程语言基本没有直接访问绝对地址的能力。
在嵌入式系统的实际调试中,多借助C语言指针所具有的对绝对地址单元内容的读写能力。以指针直接操作内存多发生在如下几种情况:
: ?2 l/ R: |/ f6 D6 l0 M  
(1) 某I/O芯片被定位在CPU的存储空间而非I/O空间,而且寄存器对应于某特定地址;
9 d$ W  w/ ]6 X1 u  
(2) 两个CPU之间以双端口RAM通信,CPU需要在双端口RAM的特定单元(称为mail box)书写内容以在对方CPU产生中断; - i& b5 I9 \6 I: @+ l
  
(3) 读取在ROM或FLASH的特定单元所烧录的汉字和英文字模。 0 T6 r+ p3 P8 Y  A+ w, j% J% Y
譬如:
  1. / O* j$ L8 s# B5 Q) I- M, n
  2. unsigned char *p = (unsigned char *)0xF000FF00;' ~' O1 B9 C; f$ T- T$ X
  3. *p="11";
复制代码

& a  W3 S- J0 I3 @; \% Q* H6 s. ~以上程序的意义为在绝对地址0xF0000+0xFF00(80186使用16位段地址和16位偏移地址)写入11。   在使用绝对地址指针时,要注意指针自增自减操作的结果取决于指针指向的数据类别。上例中p++后的结果是p= 0xF000FF01,若p指向int,即: , b: w2 m" o. c( y; f9 y
  1. 3 o( g& Y' N8 W* K# Q, A( e" g
  2. int *p = (int *)0xF000FF00;
复制代码

) R0 i# G+ Q0 T3 \p++(或++p)的结果等同于:p = p+sizeof(int),而p-(或-p)的结果是p = p-sizeof(int)。
! }" {" K& k4 P, ~) s记住:
CPU以字节为单位编址,而C语言指针以指向的数据类型长度作自增和自减。理解这一点对于以指针直接操作内存是相当重要的。

) r% K  k' z" u0 P& r* N
( L' x1 a1 l8 j) O+ _  G; ]函数指针( U" {$ b6 P# F
首先要理解以下三个问题:
& V1 u$ \. o0 j8 C
  
(1)C语言中函数名直接对应于函数生成的指令代码在内存中的地址,因此函数名可以直接赋给指向函数的指针;
. d0 L2 j& Z% t+ Y1 Y. O2 [6 w
(2)调用函数实际上等同于"调转指令+参数传递处理+回归位置入栈",本质上最核心的操作是将函数生成的目标代码的首地址赋给CPU的PC寄存器;
5 j, L# H0 D7 f% ?( c  
(3)因为函数调用的本质是跳转到某一个地址单元的code去执行,所以可以"调用"一个根本就不存在的函数实体,晕?请往下看:
: Q0 A0 I; \& @  m
  请拿出你可以获得的任何一本大学《微型计算机原理》教材,书中讲到,186 CPU启动后跳转至绝对地址0xFFFF0(对应C语言指针是0xF000FFF0,0xF000为段地址,0xFFF0为段内偏移)执行,请看下面的代码:( w6 T! I8 S% |1 a
  1. 3 z6 M2 M9 _1 o
  2. typedef void (*lpFunction) ( ); /* 定义一个无参数、无返回类型的 */
    ' v' o' Y4 }: n* }
  3. /* 函数指针类型 */
      C5 l/ o+ D8 s& e4 R0 z# y
  4. lpFunction lpReset = (lpFunction)0xF000FFF0; /* 定义一个函数指针,指向*/
    1 S; R7 ~1 m' e0 ]: p/ W; x
  5. /* CPU启动后所执行第一条指令的位置 */
    % Q+ R$ [) I3 m- e% y0 @  H
  6. lpReset(); /* 调用函数 */
复制代码
. S2 p& g: K$ H! x
+ T9 j% f2 {  N  T7 o6 \  U2 Q
2 V' G! K  u: ^( u& `
在以上的程序中,我们根本没有看到任何一个函数实体,但是我们却执行了这样的函数调用:lpReset(),它实际上起到了"软重启"的作用,跳转到CPU启动后第一条要执行的指令的位置。 ) X; M2 A& m  Q2 ^
  
记住:函数无它,唯指令集合耳;你可以调用一个没有函数体的函数,本质上只是换一个地址开始执行指令!
( [. ^1 V5 f( H0 k$ y" i4 e, K数组vs.动态申请
4 r" a6 P8 Q% b5 H在嵌入式系统中动态内存申请存在比一般系统编程时更严格的要求,这是因为嵌入式系统的内存空间往往是十分有限的,不经意的内存泄露会很快导致系统的崩溃。
  h/ ]+ H3 W+ K1 T/ T0 L# t
  
所以一定要保证你的malloc和free成对出现,如果你写出这样的一段程序: ( y1 ^' e; ^1 W) ^5 m
  1. * {% a. h8 A: w$ |" ]3 j
  2. char * function(void)- ^) w" c) t) W. l
  3. {
    ; `5 a+ j0 G0 {+ V$ D
  4.  char *p;
    . I% \! U1 ~" X8 u
  5.  p = (char *)malloc(…);
    " b8 T% f+ E  r$ g- l" `& p
  6.  if(p==NULL)  W* i( L; q# S* d/ ?# r0 e
  7.   …;0 t8 K! q( X* k& R$ |" M( w% }
  8.   … /* 一系列针对p的操作 */) r2 B9 p( E  X2 F* s- L. N
  9.  return p;
    / L; n6 u: x$ ]* k6 O
  10. }
    1 p: ?, f5 k8 i$ `( |
  11. 在某处调用function(),用完function中动态申请的内存后将其free,如下:( q' N# r: @# W( H
  12. char *q = function();
    5 B0 v+ w& B' Q" H* E/ }
  13. …
    0 p9 D+ f2 C0 T
  14. free(q);
复制代码

2 Z! V1 j" U2 i# o5 \" K上述代码明显是不合理的,因为违反了malloc和free成对出现的原则,即"谁申请,就由谁释放"原则。不满足这个原则,会导致代码的耦合度增大,因为用户在调用function函数时需要知道其内部细节!
6 A9 i; o( e  ]. I0 o8 o8 Y" u  正确的做法是在调用处申请内存,并传入function函数,如下:
. b* `, B8 O. C% P. _
  1. <font face="Tahoma"><font color="#003000">
    * V: ^9 b4 S- f/ x9 K+ l& I
  2. char *p="malloc"(…);
    : E! }! ]' e; Q
  3. if(p==NULL); X- E) b+ `" S; q
  4. …;
    ! B: w0 T8 R, c. z/ w, J) @
  5. function(p);
    6 a8 v* {" F6 C- {/ ^% Y
  6. …  c' u* b& ~: o- ~+ J% [
  7. free(p);5 h+ Z* |+ y: N2 l" k) `
  8. p="NULL";
    7 l. ], W& M7 @- T  Y+ F) M; n
  9. 而函数function则接收参数p,如下:$ O& `5 y# E6 w- l
  10. void function(char *p)
    # s" o. |/ q6 _( v. I* Y
  11. {
    5 E+ Q$ C3 \$ }2 L) Z% D  F
  12.  … /* 一系列针对p的操作 */' v" M7 v: K( T* P% f
  13. }</font></font>
    9 F  x2 e+ _9 h0 @: I5 g2 @) O- j
复制代码
基本上,动态申请内存方式可以用较大的数组替换。对于编程新手,笔者推荐你尽量采用数组!嵌入式系统可以以博大的胸襟接收瑕疵,而无法"海纳"错误。毕竟,以最笨的方式苦练神功的郭靖胜过机智聪明的杨康。
# ?6 l) D% D, F  r7 v( k% |  
给出原则: , R- a* w1 d6 W* H! x6 ^% g
 
(1)尽可能的选用数组,数组不能越界访问(真理越过一步就是谬误,数组越过界限就光荣地成全了一个混乱的嵌入式系统); . l- O, j0 h) r" @9 @7 C+ j
  
(2)如果使用动态申请,则申请后一定要判断是否申请成功了,并且malloc和free应成对出现! " ^# }  z; F' A* {# k
const在C++语言中则包含了更丰富的含义,而在C语言中仅意味着:"只能读的普通变量",可以称其为"不能改变的变量"(这个说法似乎很拗口,但却最准确的表达了C语言中const的本质),在编译阶段需要的常数仍然只能以#define宏定义!故在C语言中如下程序是非法的:
0 ^; W& R$ D7 z' B4 m9 q4 D关键字const4 Z$ [. a# Y$ O. x5 K) K
const意味着"只读"。区别如下代码的功能非常重要,也是老生长叹,如果你还不知道它们的区别,而且已经在程序界摸爬滚打多年,那只能说这是一个悲哀:
6 x( t2 H2 S$ N  a- h# s

  1. ' g2 p5 M/ y: w  s% o
  2. const int a;
    - x7 W# @- B- n0 U" E0 g
  3. int const a;% Z: U8 d, q- j; K, o8 H8 n0 t( M
  4. const int *a;
    ; q. b, w( [3 z, F3 I& X- H7 l
  5. int * const a;7 y, g. }! l% I1 w' t
  6. int const * a const;
    0 O  Y. X% ]% f0 V9 w0 L# m
  7. const int SIZE = 10;6 H8 E# l; ?3 }4 i$ R
  8. char a[SIZE]; /* 非法:编译阶段不能用到变量 */
复制代码
0 |- A# D( n2 W

2 G! S6 s( ]3 F. D! n) S$ Q8 a+ C5 Q6 L: _2 J2 I9 A6 e1 i" t
关键字volatile9 E- b  z* T9 M: i% S! V, Y
volatile变量可能用于如下几种情况:

9 r8 H% q$ R" ]4 _2 `# M3 V  
(1) 并行设备的硬件寄存器(如:状态寄存器,例中的代码属于此类); / G% x7 {/ B7 ~8 i. ^( \
  
(2) 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(也就是全局变量);
' A9 \9 M$ n1 d
(3) 多线程应用中被几个任务共享的变量。
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