嵌入式C語言知識點總結(jié)

2022-05-10 10:42 作者:信盈達 0人讀過 | 我要投稿

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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好C語言！今天推薦一篇大佬寫的嵌入式C語言知識點總結(jié)，非常值得一讀。

從語法上來說C語言并不復雜，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技術知識有著一定的了解。

本文以嵌入式實踐為基礎，再結(jié)合相關資料, 闡述嵌入式需要了解的C語言知識和重點，希望每個讀到這篇文章的人都能有所收獲。

1 關鍵字

關鍵字是C語言中具有特殊功能的保留標示符，按照功能可分為

1.數(shù)據(jù)類型(常用char, short, int, long, unsigned, float, double)

2.運算和表達式(=, +, -, *, 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.位操作和邏輯運算(<<, >>, &, |, ~，^, &&)，

6.預處理(#define, #include, #error，#if…#elif…#else…#endif等)，

7.平臺擴展關鍵字(__asm, __inline，__syscall)

這些關鍵字共同構(gòu)成了嵌入式平臺的C語法。

嵌入式的應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現(xiàn)，并提供相應的優(yōu)化機制，以應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，浮點型變量，有些編譯器如keil還擴展支持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鍵字，在大部分支持跨平臺的軟件項目中被采用，典型的如下：

既然不同平臺的基本數(shù)據(jù)寬度不同，那么如何確定當前平臺的基礎數(shù)據(jù)類型如int的寬度，這就需要C語言提供的接口sizeof，實現(xiàn)如下：

1 | printf("int size:%d, short size:%d, char size:%d\n", sizeof(int), sizeof(char), sizeof(short));

這里還有重要的知識點，就是指針的寬度，如：

其實這就和芯片的可尋址寬度有關，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，以及關鍵字extern，static，實現(xiàn)了精細的處理機制，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。程序在運行的時候用 malloc 或 new 申請任意多少的內(nèi)存，程序員自己負責在何時用 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語言實例。

C語言的作用域不僅描述了標識符的可訪問的區(qū)域，其實也規(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，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)化運行速度，或者存儲受限時，理解這部分知識對于代碼的維護就很有意義。

此外，嵌入式C語言的編譯器中會擴展內(nèi)存管理機制，如支持分散加載機制和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), 這強化了對內(nèi)存的管理，以適應復雜的應用環(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)頁時因為要存儲大量圖片和文檔，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，可能需要單獨劃分SRAM區(qū)域，避免被誤修改導致致命性的錯誤。

這些經(jīng)驗在實際的產(chǎn)品開發(fā)中是常用且重要，不過因為篇幅原因，這里只簡略的提供例子，如果工作中遇到這種需求，建議詳細去了解下。

至于堆的使用，對于嵌入式Linux來說，使用起來和標準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LWIP都是采用這種機制，我個人習慣也采用這種方式，所以關于堆的細節(jié)不在描述，如果希望了解，可以參考中關于存儲相關的說明。