嵌入式系统编程之内存操作的注意事项

在嵌入式系统编程中，经常需要对特定的内存单元进行读写操作。然而，这也是容易出错的地方，那么如何避免呢？今天我将分享一些有关的避坑指南。

数据指针

在嵌入式系统编程中，在特定的内存单元读写内容是常见需求。汇编语言中有对应的MOV指令，但除了C/C++之外的其他编程语言很少直接访问绝对地址的能力。

在实际的嵌入式系统调试中，通常借助C语言指针的能力来直接操作绝对地址单元的内容。指针直接操作内存的情况通常发生在以下几种情况下：

1. 某个I/O芯片被映射到CPU的存储空间而不是I/O空间，并且寄存器对应于特定的地址；
2. 两个CPU之间使用双端口RAM进行通信，CPU需要在双端口RAM的特定单元（称为邮箱）中写入内容以触发对方CPU的中断；
3. 读取存储在ROM或闪存中的特定单元的汉字和字模。

例如：

1unsigned char *p = (unsigned char *)0xF000FF00;
2*p = 11;

上述程序的作用是在绝对地址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，需要注意指针的自增自减操作结果取决于指针指向的数据类型。在上面的例子中，执行p++后的结果是p=0xF000FF01，如果p指向int类型的数据，即：

1int *p = (int *)0xF000FF00;

那么p++（或++p）的结果等价于：p = p + sizeof(int)，而p-（或-p）的结果是p = p - sizeof(int)。

同样地，如果执行：

1long int *p = (long int *)0xF000FF00;

那么p++（或++p）的结果等价于：p = p + sizeof(long int)，而p-（或-p）的结果是p = p - sizeof(long int)。

要记住：CPU以字节为单位进行编址，而C语言指针以指向的数据类型的长度进行自增和自减。理解这一点对于直接操作内存来说是非常重要的。

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：

1typedef void （*lp） （ ）; /* 定义一个无参数、无返回类型的 */
2/* 函数指针类型 */
3lp lpReset = （lp）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 */
5lpReset（）; /* 调用函数 */

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：

1char * （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}

在某处调用（），用完中动态申请的内存后将其free，如下：

1char *q = （）;
2…
3free（q）;

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，并传入函数，如下：

1char *p=malloc（…）;
2if（p==NULL）
3…;
4（p）;
5…
6free（p）;
7p=NULL;

而函数则接收参数p，如下：

1void （char *p）
2{
3… /* 一系列针对p的操作 */
4}

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。

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！

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。

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：

1const int a;
2int const a;
3const int *a;
4int * const a;
5int const * a const;

1. 关键字const的作用是为给读你代码的人传达非常有用的信息。例如，在函数的形参前添加const关键字意味着这个参数在函数体内不会被修改，属于“输入参数”。在有多个形参的时候，函数的调用者可以凭借参数前是否有const关键字，清晰的辨别哪些是输入参数，哪些是可能的输出参数。
2. 合理地使用关键字const可以使编译器很自然地保护那些不希望被改变的参数，防止其被无意的代码修改，这样可以减少bug的出现。

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：

 1const int SIZE = 10;
 2char a［SIZE］; /* 非法：编译阶段不能用到变量 */
 3关键字volaTIle
 4C语言编译器会对用户书写的代码进行优化，譬如如下代码：
 5int a，b，c;
 6a = inWord（0x100）; /*读取I/O空间0x100端口的内容存入a变量*/
 7b = a;
 8a = inWord （0x100）; /*再次读取I/O空间0x100端口的内容存入a变量*/
 9c = a;
10很可能被编译器优化为：
11int a，b，c;
12a = inWord（0x100）; /*读取I/O空间0x100端口的内容存入a变量*/
13b = a;
14c = a;

但是这样的优化结果可能导致错误，如果I/O空间0x100端口的内容在执行第一次读操作后被其它程序写入新值，则其实第2次读操作读出的内容与第一次不同，b和c的值应该不同。在变量a的定义前加上volaTIle关键字可以防止编译器的类似优化，正确的做法是：

1volatile int a；

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。

CPU字长与存储器位宽不一致处理

80186的字长为16，而NVRAM的位宽为8，在这种情况下，我们需要为NVRAM提供读写字节、字的接口，如下：

 1typedef unsigned char BYTE;
 2typedef unsigned int WORD;
 3/* 函数功能：读NVRAM中字节
 4* 参数：wOffset，读取位置相对NVRAM基地址的偏移
 5* 返回：读取到的字节值
 6*/
 7extern BYTE ReadByteNVRAM（WORD wOffset）
 8{
 9LPBYTE lpAddr = （BYTE*）（NVRAM + wOffset * 2）; /* 为什么偏移要×2？ */
10return *lpAddr;
11}
12/* 函数功能：读NVRAM中字
13* 参数：wOffset，读取位置相对NVRAM基地址的偏移
14* 返回：读取到的字
15*/
16extern WORD ReadWordNVRAM（WORD wOffset）
17{
18  WORD wTmp = 0;
19  LPBYTE lpAddr;
20  /* 读取高位字节 */
21  lpAddr = （BYTE*）（NVRAM + wOffset * 2）; /* 为什么偏移要×2？ */
22  wTmp += （*lpAddr）*256;
23  /* 读取低位字节 */
24  lpAddr = （BYTE*）（NVRAM + （wOffset +1） * 2）; /* 为什么偏移要×2？ */
25  wTmp += *lpAddr;
26  return wTmp;
27}
28
29/* 函数功能：向NVRAM中写一个字节
30*参数：wOffset，写入位置相对NVRAM基地址的偏移
31* byData，欲写入的字节
32*/
33extern void WriteByteNVRAM（WORD wOffset， BYTE byData）
34{
35…
36}
37
38/* 函数功能：向NVRAM中写一个字 */
39*参数：wOffset，写入位置相对NVRAM基地址的偏移
40* wData，欲写入的字
41*/
42extern void WriteWordNVRAM（WORD wOffset， WORD wData）
43{
44…
45}

子贡问曰：Why偏移要乘以2？

子曰：16位80186与8位NVRAM之间互连只能以地址线A1对其A0，CPU本身的A0与NVRAM不连接。因此，NVRAM的地址只能是偶数地址，故每次以0x10为单位前进！

子贡再问：So why 80186的地址线A0不与NVRAM的A0连接？

子曰：请看《IT论语》之《微机原理篇》，那里面讲述了关于计算机组成的圣人之道。

总结

本篇主要讲述了嵌入式系统C编程中内存操作的相关技巧。掌握并深入理解关于数据指针、函数指针、动态申请内存、const及volatile关键字等的相关知识，是一个优秀的C语言程序设计师的基本要求。

当我们已经牢固掌握了上述技巧后，我们就已经学会了C语言的99%，因为C语言最精华的内涵皆在内存操作中体现。

我们之所以在嵌入式系统中使用C语言进行程序设计，99%是因为其强大的内存操作能力！

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