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2016年嵌入式開發(fā)C語言問題詳解
嵌入式系統(tǒng)的C語言開發(fā)中，經(jīng)常遇到這樣那樣的問題。有些問題可能很快就能找到原因，但是有些問題必須有一定的經(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)常遇到的嵌入式開發(fā)中的C語言典型問題，不足之處歡迎各位專家指摘賜教。
一、由編譯優(yōu)化引起的問題
例1、編譯后的匯編語言處理邏輯跟C語言處理邏輯不一致
由于編譯器的原因，在設(shè)置了編譯優(yōu)化的情況下，編譯后有些代碼的邏輯會發(fā)生變化。這種情況下會發(fā)生很奇怪的問題，一些函數(shù)的處理結(jié)果跟預(yù)想的不一致，而檢查代碼又看不出什么問題。
這種問題的解決辦法一般是在充分分析軟件處理邏輯，確認(rèn)處理上沒問題后，把編譯后的列表文件(*.lis)和C語言處理邏輯逐行對照。把不一致的地方找出來，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(xù)其他處理;而某些寄存器要連續(xù)寫幾次。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(jié)果，用volatile聲明的變量表示該變量隨時可能發(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變量的幾個場景：
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(biāo)志應(yīng)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都可能有不同意義。
二、由字節(jié)對齊引起的問題
一個結(jié)構(gòu)體變量定義完之后，其在內(nèi)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(jié)對齊的問題。
結(jié)構(gòu)體中元素的對齊基本上遵循兩個基本原則：
原則一：結(jié)構(gòu)體中元素是按照定義順序一個一個放到內(nèi)存中去的，但并不是緊密排列的。從結(jié)構(gòu)體存儲的首地址開始，每一個元素放置到內(nèi)存中時，它都會認(rèn)為內(nèi)存是以它自己的大小來劃分的，因此元素放置的位置一定會在自己寬度的整數(shù)倍上開始(以結(jié)構(gòu)體變量首地址為0計算)。
原則二：在經(jīng)過第一原則分析后，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度的整數(shù)倍。若是，則結(jié)束;若不是，則補(bǔ)齊為它的整數(shù)倍。
每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù)或邊界調(diào)整數(shù))。通常，可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。
#pragma pack(n) //編譯器將按照n字節(jié)對齊
#pragma pack() //編譯器將取消自定義字節(jié)對齊方式
在#pragma pack(n)和#pragma pack()之間的代碼按n字節(jié)對齊。但是成員對齊有一個重要的條件，即每個成員按照自己的對齊方式對齊; 也就是說雖然指定了按n字節(jié)對齊，但并不是所有的成員都以n字節(jié)對齊。對齊的規(guī)則是：每個成員按其類型的對齊參數(shù)(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數(shù)(這里是n字節(jié))中較小的一個對齊，即min(n,sizeof(item))，并且結(jié)構(gòu)的長度必須為所用過的所有對齊參數(shù)的整數(shù)倍，不夠就補(bǔ)空字節(jié)。
以瑞薩SH7145F CPU和XASS-V編譯器為例，根據(jù)XASS-V幫助文件，對于SH7145F，其結(jié)構(gòu)體成員的默認(rèn)對齊系數(shù)如下：
char：1
short：2
int：4
long：4
float：4
long long：4
double：4
指針：4
結(jié)構(gòu)體/聯(lián)合體：4
數(shù)組：根據(jù)類型而定
在編譯的時候可以通過設(shè)置 /bond = n, n=4(一般情況)，來指定邊界調(diào)整系數(shù)。因此，實際采用/bond=n中的n和上述默認(rèn)對齊系數(shù)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(biāo)CPU是瑞薩SH7145F。
例1、假設(shè) /bond=4，進(jìn)行如下定義：
typedef unsigned char UCHAR;
/* 結(jié)構(gòu)體定義*/
typedef struct{
union{
UCHAR SO_bit7;
UCHAR DMY0_bit56;
UCHAR LNO_bit04;
} DL; /* 預(yù)想BYTE0 */
UCHAR ORDN;
union{
UCHAR RW_bit7;
UCHAR DTNO_bit06;
}RD; /* 預(yù)想BYTE1 */
UCHAR ADRH; /* 預(yù)想BYTE2 */
UCHAR ADRL; /* 預(yù)想BYTE3 */
UCHAR DATA; /* 預(yù)想BYTE4 */
}stTEST;
/* 變量定義*/
UCHAR TEST[6];
stTEST *pTEM=( stTEST *) TEST;
這樣執(zhí)行后，pTEM->ADRH并不是對應(yīng)TEST [3]，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)處理錯誤。
原因分析：
由邊界調(diào)整數(shù)決定，union只能在4的倍數(shù)的地址上存放;且UNION類型要占用4*X Byte，故后面有3Byte的Dummy。即UNION{xxx}DL占用了4Byte。
依次類推，整個結(jié)構(gòu)體元素的內(nèi)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(shù)的地址上存放。
Byte15的Dummy是整個結(jié)構(gòu)體大小必須是4的倍數(shù)。
所以sizeof(stTEST)=16， pTEM->ADRH對應(yīng)為Byte12，不是預(yù)想的TEST[3]。
三、由變量類型不匹配引起的問題
例1、循環(huán)變量溢出
UCHAR i = 0x00;
/* 版本1：100個循環(huán) */
for(i=0;i<100;i++) { /* 處理：略*/}
/* 版本2：1000個循環(huán) */
for(i=0;i<1000;i++) { /* 處理：略*/}
一開始需求是100個循環(huán)，而后面需求變更為1000個循環(huán)，但忘記修改循環(huán)變量類型。以為UCHAR的有效范圍是0~255，顯然不滿足版本2的要求。這種情況會發(fā)生在循環(huán)變量定義的位置距離循環(huán)體比較遠(yuǎn)的時候，在無意識中忽略了。
四、由數(shù)組下標(biāo)越界引起的問題
常見的是指定的數(shù)組下標(biāo)超過了數(shù)組最大有效下標(biāo)。很多情況下不會導(dǎo)致程序奔潰，但是取出的數(shù)據(jù)顯然是不正確的。
五、由字節(jié)序引起的問題
字節(jié)序主要體現(xiàn)大于1Byte的數(shù)據(jù)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。簡單地說，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，簡稱“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，簡稱“高高低低”。大部分嵌入式系統(tǒng)的CPU是MSB FIRST的，少部分是LSB FIRST的。常見的LSB FIRST的CPU是INTEL的。
類似的，在網(wǎng)絡(luò)通信方面有兩種字節(jié)序：“Big-Endian”和“Small-Endian”。 指的都是對于多字節(jié)的數(shù)據(jù)類型(比如4字節(jié)的32位整數(shù))，其多個字節(jié)的順序問題，是最高字節(jié)在前(Big-Endian)還是最低字節(jié)在前(Small-Endian)。 比如對于123456789這個整數(shù)，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(nèi)存里存儲)的4個字節(jié)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(jié)序進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)處理，才能得出正常的結(jié)果。
例1、應(yīng)用程序A以075BCD15的字節(jié)序(Big-Endian)發(fā)送數(shù)據(jù)123456789給應(yīng)用程序B，但應(yīng)用程序B卻以15CD5B07的字節(jié)序(Small-Endian)處理，則雙方?jīng)]法正常通信。
六、由UNION元素賦值引起的問題
一個UNION元素的值由最后那次設(shè)定決定的。有些時候，無意中對一個UNION元素連續(xù)賦值，就會發(fā)生意料之外的問題。
例1、以前面的結(jié)構(gòu)體類型stTEST 為例，做如下設(shè)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(shè)置后，最終SO=0，而不是預(yù)先希望的SO=1。
七、由運算符優(yōu)先級引起的問題
運算符優(yōu)先級處理不好也會引入一些潛在的問題。
例1、邏輯運算符與條件運算符
int a=0x02;
if((a&0x03)!=0x00) /*表達(dá)式1*/
if(a&0x03!=0x00) /*表達(dá)式2*/
表達(dá)式1：先執(zhí)行0x02&0x03=>0x02，再執(zhí)行0x02 !=0x00，故結(jié)果為TRUE。
表達(dá)式2：先執(zhí)行0x03 !=0x00=>TRUE(結(jié)果是0x01)，再執(zhí)行0x02&0x01，結(jié)果為0x00即FALSE。
顯然，表達(dá)式1才是正確的寫法。如果把用表達(dá)式2的形式就會引入一些潛在的問題。
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(dá)式1*/
if(((*pSTSRG)&0x01)==0x00) /*表達(dá)式2*/
if(*pSTSRG&0x01==0x00) /*表達(dá)式3*/
顯然，表達(dá)式1和表達(dá)式2是正確寫法，而且最保險的寫法是表達(dá)式2。而表達(dá)式3是錯誤寫法。
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，也沒必要去記憶，最規(guī)避這類問題的最好辦法就是給表達(dá)式強(qiáng)制加上括號。
八、由中斷優(yōu)先級引起的問題
在多線程應(yīng)用程序開發(fā)中，經(jīng)常會用信號量等方式來保證共享資源的訪問。但是在有多個中斷的應(yīng)用程序中，經(jīng)常會無意識地略掉中斷優(yōu)先級，導(dǎo)致引入一些潛在的問題。
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的處理過程都會設(shè)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，如果發(fā)生高優(yōu)先級的中斷IRQ4，則IRQ1的處理會把相關(guān)上下文壓棧，暫時掛起，等IRQ4處理完成后才繼續(xù)處理IRQ1。由于IRQ4也會修改全局變量tData，如果沒有任何保護(hù)措施，則IRQ1的處理可能會不完全正確。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(shù) */
IRQ1_Handler()
{
xxx; /* 屏蔽所有中斷 */
yyy; /* 相關(guān)處理 */
zzz; /* 解除中斷屏蔽 */
}
當(dāng)然，上述處理的前提是IRQ4是可屏蔽中斷。
九、由匯編語言轉(zhuǎn)C語言引起的問題
由于CPU的更換，原先用匯編語言開發(fā)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為用C語言開發(fā)的情形也是存在的。這種情況也經(jīng)常會引入一些問題。
例1、CPU字節(jié)序不同而引起的問題
關(guān)于字節(jié)序參考前面的內(nèi)容。當(dāng)用到一個大于1Byte的變量的時候，必須了解新舊CPU的字節(jié)序，正確操作大于1Byte的變量，才能保證不會因為高低位倒置而引入問題。
例2、CPU頻率不同而引起的問題
在匯編語言開發(fā)的系統(tǒng)中，經(jīng)常會用一些循環(huán)來實現(xiàn)微秒級的延時。特別在串口通信中，硬件寄存器對時間非常敏感，如果在轉(zhuǎn)換成C語言時沒有考慮到這點，沒有及時調(diào)整循環(huán)次數(shù)，就會因為CPU頻率變高而導(dǎo)致延時不足。
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