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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
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:
  
(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;
  
(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;
  
(3) 读取在ROM或FLASH的特定单元所烧录的汉字和英文字模。
譬如:

  1. unsigned char *p = (unsigned char *)0xF000FF00;
  2. *p="11";
复制代码

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:

  1. int *p = (int *)0xF000FF00;
复制代码

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)。
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。


函数指针
首先要理解以下三个问题:

  
(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;
(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;
  
(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:
  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:

  1. typedef void (*lpFunction) ( ); /* 定义一个无参数、无返回类型的 */
  2. /* 函数指针类型 */
  3. lpFunction lpReset = (lpFunction)0xF000FFF0; /* 定义一个函数指针,指向*/
  4. /* CPU启动后所执行第一条指令的位置 */
  5. lpReset(); /* 调用函数 */
复制代码



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。
  
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!
数组vs.动态申请
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。

  
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:

  1. char * function(void)
  2. {
  3.  char *p;
  4.  p = (char *)malloc(…);
  5.  if(p==NULL)
  6.   …;
  7.   … /* 一系列针对p的操作 */
  8.  return p;
  9. }
  10. 在某处调用function(),用完function中动态申请的内存后将其free,如下:
  11. char *q = function();

  12. free(q);
复制代码

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!
  正确的做法是在调用处申请内存,并传入function函数,如下:
  1. <font face="Tahoma"><font color="#003000">
  2. char *p="malloc"(…);
  3. if(p==NULL)
  4. …;
  5. function(p);

  6. free(p);
  7. p="NULL";
  8. 而函数function则接收参数p,如下:
  9. void function(char *p)
  10. {
  11.  … /* 一系列针对p的操作 */
  12. }</font></font>
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。
  
给出原则:
 
(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);
  
(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!
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:
关键字const
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:

  1. const int a;
  2. int const a;
  3. const int *a;
  4. int * const a;
  5. int const * a const;
  6. const int SIZE = 10;
  7. char a[SIZE]; /* 非法:编译阶段不能用到变量 */
复制代码



关键字volatile
volatile变量可能用于如下几种情况:

  
(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);
  
(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);
(3) 多线程应用中被几个任务共享的变量。
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