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導(dǎo)讀：怎么做好嵌入式？相信這個問題無論問誰你都會得到一句學(xué)好C語言！今天推薦一篇大佬寫的嵌入式C語言知識點(diǎn)總結(jié)，非常值得一讀。
從語法上來說C語言并不復(fù)雜， 但編寫優(yōu)質(zhì)可靠的嵌入式C程序并非易事，不僅需要熟知硬件特性和缺陷，還需要對編譯原理和計算機(jī)技術(shù)知識有著一定的了解。
本文以嵌入式實(shí)踐為基礎(chǔ)，再結(jié)合相關(guān)資料, 闡述嵌入式需要了解的C語言知識和重點(diǎn)，希望每個讀到這篇文章的人都能有所收獲。
1?關(guān)鍵字
關(guān)鍵字是C語言中具有特殊功能的保留標(biāo)示符，按照功能可分為
1). 數(shù)據(jù)類型(常用char, short, int, long, unsigned, float, double)
2). 運(yùn)算和表達(dá)式(?=, +, -, *, while, do-while, if, goto, switch-case)
3). 數(shù)據(jù)存儲(auto， static， extern，const， register，volatile，restricted)，
4). 結(jié)構(gòu)(struct, enum, union,typedef),
5). 位操作和邏輯運(yùn)算(<<, >>, &, |, ~，^, &&)，
6). 預(yù)處理(#define, #include, #error，#if...#elif...#else...#endif等)，
7). 平臺擴(kuò)展關(guān)鍵字(__asm, __inline，__syscall)
這些關(guān)鍵字共同構(gòu)成了嵌入式平臺的C語法。
嵌入式的應(yīng)用從邏輯上可以抽象為三個部分：
1). 數(shù)據(jù)的輸入(如傳感器，信號，接口輸入),
2). 數(shù)據(jù)的處理(如協(xié)議的解碼和封包，AD采樣值的轉(zhuǎn)換等)
3). 數(shù)據(jù)的輸出(GUI的顯示，輸出的引腳狀態(tài)，DA的輸出控制電壓，PWM波的占空比等)，
對于數(shù)據(jù)的管理就貫穿著整個嵌入式應(yīng)用的開發(fā)，它包含數(shù)據(jù)類型，存儲空間管理，位和邏輯操作，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，C語言從語法上支撐上述功能的實(shí)現(xiàn)，并提供相應(yīng)的優(yōu)化機(jī)制，以應(yīng)對嵌入式下更受限的資源環(huán)境。
2?數(shù)據(jù)類型
C語言支持常用的字符型，整型，浮點(diǎn)型變量，有些編譯器如keil還擴(kuò)展支持bit(位)和sfr(寄存器)等數(shù)據(jù)類型來滿足特殊的地址操作。C語言只規(guī)定了每種基本數(shù)據(jù)類型的最小取值范圍，因此在不同芯片平臺上相同類型可能占用不同長度的存儲空間，這就需要在代碼實(shí)現(xiàn)時考慮后續(xù)移植的兼容性，而C語言提供的typedef就是用于處理這種情況的關(guān)鍵字，在大部分支持跨平臺的軟件項(xiàng)目中被采用，典型的如下:
既然不同平臺的基本數(shù)據(jù)寬度不同，那么如何確定當(dāng)前平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型如int的寬度，這就需要C語言提供的接口sizeof，實(shí)現(xiàn)如下。
這里還有重要的知識點(diǎn)，就是指針的寬度，如
其實(shí)這就和芯片的可尋址寬度有關(guān)，如32位MCU的寬度就是4，64位MCU的寬度就是8，在有些時候這也是查看MCU位寬比較簡單的方式。 3?內(nèi)存管理和存儲架構(gòu) C語言允許程序變量在定義時就確定內(nèi)存地址，通過作用域，以及關(guān)鍵字extern，static，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)的處理機(jī)制，按照在硬件的區(qū)域不同，內(nèi)存分配有三種方式(節(jié)選自C++高質(zhì)量編程)： 1). 從靜態(tài)存儲區(qū)域分配。內(nèi)存在程序編譯的時候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個運(yùn)行期間都存在。例如全局變量，static 變量。 2). 在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中 ，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。 3). 從堆上分配，亦稱動態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行的時候用 malloc 或 new 申請任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在何時用 free 或 delete 釋放內(nèi)存。動態(tài)內(nèi)存的生存期由程序員決定，使用非常靈活，但同時遇到問題也最多。 這里先看個簡單的C語言實(shí)例。
C語言的作用域不僅描述了標(biāo)識符的可訪問的區(qū)域，其實(shí)也規(guī)定了變量的存儲區(qū)域，在文件作用域的變量st_val和ex_val被分配到靜態(tài)存儲區(qū)，其中static關(guān)鍵字主要限定變量能否被其它文件訪問，而代碼塊作用域中的變量a, ptr和local_st_val則要根據(jù)類型的不同，分配到不同的區(qū)域，其中a是局部變量，被分配到棧中，ptr作為指針，由malloc分配空間，因此定義在堆中，而local_st_val則被關(guān)鍵字限定，表示分配到靜態(tài)存儲區(qū)，這里就涉及到重要知識點(diǎn)，static在文件作用域和代碼塊作用域的意義是不同的：在文件作用域用于限定函數(shù)和變量的外部鏈接性(能否被其它文件訪問), 在代碼塊作用域則用于將變量分配到靜態(tài)存儲區(qū)。 對于C語言，如果理解上述知識對于內(nèi)存管理基本就足夠，但對于嵌入式C來說，定義一個變量，它不一定在內(nèi)存(SRAM)中，也有可能在FLASH空間，或直接由寄存器存儲(register定義變量或者高優(yōu)化等級下的部分局部變量)，如定義為const的全局變量定義在FLASH中，定義為register的局部變量會被優(yōu)化到直接放在通用寄存器中，在優(yōu)化運(yùn)行速度，或者存儲受限時，理解這部分知識對于代碼的維護(hù)就很有意義。此外，嵌入式C語言的編譯器中會擴(kuò)展內(nèi)存管理機(jī)制，如支持分散加載機(jī)制和__attribute__((section("用戶定義區(qū)域")))，允許指定變量存儲在特殊的區(qū)域如(SDRAM, SQI FLASH), 這強(qiáng)化了對內(nèi)存的管理，以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境場景和需求。
采用這種方式，我們就可以將變量指定到需要的區(qū)域，這在某些情況下 必須的，如做GUI或者網(wǎng)頁時因?yàn)橐鎯Υ罅繄D片和文檔，內(nèi)部FLASH空間可能不足，這時就可以將變量聲明到外部區(qū)域，另外內(nèi)存中某些部分的數(shù)據(jù)比較重要，為了避免被其它內(nèi)容覆蓋，可能需要單獨(dú)劃分SRAM區(qū)域，避免被誤修改導(dǎo)致致命性的錯誤，這些經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中是常用且重要，不過因?yàn)槠?，這里只簡略的提供例子，如果工作中遇到這種需求，建議詳細(xì)去了解下。 至于堆的使用，對于嵌入式Linux來說，使用起來和標(biāo)準(zhǔn)C語言一致，注意malloc后的檢查，釋放后記得置空，避免"野指針“，不過對于資源受限的單片機(jī)來說，使用malloc的場景一般較少，如果需要頻繁申請內(nèi)存塊的場景，都會構(gòu)建基于靜態(tài)存儲區(qū)和內(nèi)存塊分割的一套內(nèi)存管理機(jī)制，一方面效率會更高(用固定大小的塊提前分割，在使用時直接查找編號處理)，另一方面對于內(nèi)存塊的使用可控，可以有效避免內(nèi)存碎片的問題，常見的如RTOS和網(wǎng)絡(luò)LWIP都是采用這種機(jī)制，我個人習(xí)慣也采用這種方式，所以關(guān)于堆的細(xì)節(jié)不在描述，如果希望了解，可以參考
?
? 對于數(shù)組來說，一般從0開始獲取值，以length-1作為結(jié)束，通過[0, length)半開半閉區(qū)間訪問，這一般不會出問題，但是某些時候，我們需要倒著讀取數(shù)組時，有可能錯誤的將length作為起始點(diǎn)，從而導(dǎo)致訪問越界，另外在操作數(shù)組時，有時為了節(jié)省空間，將訪問的下標(biāo)變量i定義為unsigned char類型，而C語言中unsigned char類型的范圍是0~255，如果數(shù)組較大，會導(dǎo)致數(shù)組超過時無法截止，從而陷入死循環(huán)，這種在最初代碼構(gòu)建時很容易避免，但后期如果更改需求，在加大數(shù)組后，在使用數(shù)組的其它地方都會有隱患，需要特別注意。 在前面提到過，指針占有的空間與芯片的尋址寬度有關(guān)，32位平臺為4字節(jié)，64位為8字節(jié)，而指針的加減運(yùn)算中的長度又與它的類型相關(guān)，如char類型為1，int類型為4，如果你仔細(xì)觀察上面的代碼就會發(fā)現(xiàn)par的值增加了8，這是因?yàn)橹赶蛑羔樀闹羔?，對?yīng)的變量是指針，也就是長度就是指針類型的長度，在64位平臺下為8，如果在32位平臺則為4，這些知識理解起來并不困難，但是這些特性在工程運(yùn)用中稍有不慎，就會埋下不易察覺的問題。另外指針還支持強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，這在某些情況下相當(dāng)有用，參考如下代碼：
基于指針的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，在協(xié)議解析，數(shù)據(jù)存儲管理中高效快捷的解決了數(shù)據(jù)解析的問題，但是在處理過程中涉及的數(shù)據(jù)對齊，大小端，是常見且十分易錯的問題，如上面arr字符數(shù)組，通過__align(4)強(qiáng)制定義為4字節(jié)對齊是必要的，這里可以保證后續(xù)轉(zhuǎn)換成int指針訪問時，不會觸發(fā)非對齊訪問異常，如果沒有強(qiáng)制定義，char默認(rèn)是1字節(jié)對齊的，當(dāng)然這并不就是一定觸發(fā)異常(由整個內(nèi)存的布局決定arr的地址，也與實(shí)際使用的空間是否支持非對齊訪問有關(guān)，如部分SDRAM使用非對齊訪問時，會觸發(fā)異常), 這就導(dǎo)致可能增減其它變量，就可能觸發(fā)這種異常，而出異常的地方往往和添加的變量毫無關(guān)系，而且代碼在某些平臺運(yùn)行正常，切換平臺后觸發(fā)異常，這種隱蔽的現(xiàn)象是嵌入式中很難查找解決的問題。另外，C語言指針還有特殊的用法就是通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)換給特定的物理地址訪問，通過函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)回調(diào)，如下：
這里說明下，volatile易變的，可變的，一般用于以下幾種狀況： 1）并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器） 2）一個中斷服務(wù)子程序中會訪問到的非自動變量（Non-automatic variables) 3）多線程應(yīng)用中被幾個任務(wù)共享的變量 volatile可以解決用戶模式和異常中斷訪問同一個變量時，出現(xiàn)的不同步問題，另外在訪問硬件地址時，volatile也阻止對地址訪問的優(yōu)化，從而確保訪問的實(shí)際的地址，精通volatile的運(yùn)用，在嵌入式底層中十分重要，也是嵌入式C從業(yè)者的基本要求之一。函數(shù)指針在一般嵌入式軟件的開發(fā)中并不常見，但對許多重要的實(shí)現(xiàn)如異步回調(diào)，驅(qū)動模塊，使用函數(shù)指針就可以利用簡單的方式實(shí)現(xiàn)很多應(yīng)用，當(dāng)然我這里只能說是拋磚引玉，許多細(xì)節(jié)知識是值得詳細(xì)去了解掌握的。 5?結(jié)構(gòu)類型和對齊 C語言提供自定義數(shù)據(jù)類型來描述一類具有相同特征點(diǎn)的事務(wù)，主要支持的有結(jié)構(gòu)體，枚舉和聯(lián)合體。其中枚舉通過別名限制數(shù)據(jù)的訪問，可以讓數(shù)據(jù)更直觀，易讀，實(shí)現(xiàn)如下：
聯(lián)合體的是能在同一個存儲空間里存儲不同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，對于聯(lián)合體的占用空間，則是以其中占用空間最大的變量為準(zhǔn)，如下：
聯(lián)合體的用途主要通過共享內(nèi)存地址的方式，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)內(nèi)部段的訪問，這在解析某些變量時，提供了更為簡便的方式，此外測試芯片的大小端模式也是聯(lián)合體的常見應(yīng)用，當(dāng)然利用指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，也能實(shí)現(xiàn)該目的,實(shí)現(xiàn)如下：
可以看出使用聯(lián)合體在某些情況下可以避免對指針的濫用。 結(jié)構(gòu)體則是將具有共通特征的變量組成的集合，比起C++的類來說，它沒有安全訪問的限制，不支持直接內(nèi)部帶函數(shù)，但通過自定義數(shù)據(jù)類型，函數(shù)指針，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)很多類似于類的操作，對于大部分嵌入式項(xiàng)目來說，結(jié)構(gòu)化處理數(shù)據(jù)對于優(yōu)化整體架構(gòu)以及后期維護(hù)大有便利，下面舉例說明：
C語言的結(jié)構(gòu)體支持指針和變量的方式訪問，通過轉(zhuǎn)換可以解析任意內(nèi)存的數(shù)據(jù)(如我們之前提到的通過指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換解析協(xié)議)，另外通過將數(shù)據(jù)和函數(shù)指針打包，在通過指針傳遞，是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動層實(shí)接口切換的重要基礎(chǔ)，有著重要的實(shí)踐意義，另外基于位域，聯(lián)合體，結(jié)構(gòu)體，可以實(shí)現(xiàn)另一種位操作，這對于封裝底層硬件寄存器具有重要意義，實(shí)踐如下：
通過聯(lián)合體和位域操作，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)內(nèi)bit的訪問，這在寄存器以及內(nèi)存受限的平臺，提供了簡便且直觀的處理方式，另外對于結(jié)構(gòu)體的另一個重要知識點(diǎn)就是對齊了，通過對齊訪問，可以大幅度提高運(yùn)行效率，但是因?yàn)閷R引入的存儲長度問題，也是容易出錯的問題，對于對齊的理解，可以分類為如下說明。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：以默認(rèn)的的長度對齊，如char以1字節(jié)對齊，short以2字節(jié)對齊等 數(shù)組 ：按照基本數(shù)據(jù)類型對齊，第一個對齊了后面的自然也就對齊了。 聯(lián)合體 ：按其包含的長度最大的數(shù)據(jù)類型對齊。 結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)體中每個數(shù)據(jù)類型都要對齊，結(jié)構(gòu)體本身以內(nèi)部最大數(shù)據(jù)類型長度對齊
?
其中union聯(lián)合體的大小與內(nèi)部最大的變量int一致，為4字節(jié)，根據(jù)讀取的值，就知道實(shí)際內(nèi)存布局和填充的位置是一致，事實(shí)上學(xué)會通過填充來理解C語言的對齊機(jī)制，是有效且快捷的方式。 6?預(yù)處理機(jī)制 C語言提供了豐富的預(yù)處理機(jī)制，方便了跨平臺的代碼的實(shí)現(xiàn)，此外C語言通過宏機(jī)制實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)和代碼塊替換，字符串格式化，代碼段切換，對于工程應(yīng)用具有重要意義，下面按照功能需求，描述在C語言運(yùn)用中的常用預(yù)處理機(jī)制。 #include 包含文件命令，在C語言中，它執(zhí)行的效果是將包含文件中的所有內(nèi)容插入到當(dāng)前位置，這不只包含頭文件，一些參數(shù)文件，配置文件，也可以使用該文件插入到當(dāng)前代碼的指定位置。其中<>和""分別表示從標(biāo)準(zhǔn)庫路徑還是用戶自定義路徑開始檢索。 #define宏定義，常見的用法包含定義常量或者代碼段別名，當(dāng)然某些情況下配合##格式化字符串，可以實(shí)現(xiàn)接口的統(tǒng)一化處理，實(shí)例如下：
#if..#elif...#else...#endif， #ifdef..#endif, #ifndef...#endif條件選擇判斷，條件選擇主要用于切換代碼塊，這種綜合性項(xiàng)目和跨平臺項(xiàng)目中為了滿足多種情況下的需求往往會被使用。 #undef 取消定義的參數(shù)，避免重定義問題。 #error，#warning用于用戶自定義的告警信息，配合#if，#ifdef使用，可以限制錯誤的預(yù)定義配置。 #pragma 帶參數(shù)的預(yù)定義處理，常見的#pragma pack(1), 不過使用后會導(dǎo)致后續(xù)的整個文件都以設(shè)置的字節(jié)對齊，配合push和pop可以解決這種問題，代碼如下：
7?總結(jié) 如果你看到了這里，那么應(yīng)該對C語言有了比較清晰的認(rèn)識，嵌入式C語言在處理硬件物理地址，位操作，內(nèi)存訪問，都給予開發(fā)者了充分的自由，通過數(shù)組，指針以及強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的技巧，可以有效減少數(shù)據(jù)處理中的復(fù)制過程，這對于底層是必要的，也方便了整個架構(gòu)的開發(fā)。但是由這種自由帶來的非法訪問，溢出，越界，以及不同硬件平臺對齊，數(shù)據(jù)寬度，大小端問題，在功能設(shè)計人員手里一般還能夠處理，對于后續(xù)接手項(xiàng)目的人來說，如果本身的設(shè)計沒有考慮清楚這些問題，往往代表著問題和麻煩，所以對于任何嵌入式C的從業(yè)者，清晰的掌握這些基礎(chǔ)的知識和必要的。 講到這里，關(guān)于嵌入式C語言的初步總結(jié)就到此為止，但C語言在嵌入式運(yùn)用的中的重點(diǎn)和難點(diǎn)并不僅僅只有這些，如嵌入式C語言支持的內(nèi)聯(lián)匯編，通訊間的可靠性實(shí)現(xiàn)，存儲數(shù)據(jù)校驗(yàn)和完整性保證，這些工程上的運(yùn)用和技巧，都很難用簡單的言語說清楚，另外有關(guān)異常觸發(fā)后的查找和解決的技巧，也值得詳細(xì)的說明，這里因?yàn)槠约白约哼€未整理清晰，就先到此為止。 ?
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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