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。嵌入式C 语言高手炼成之内存操作是怎样的?

 

 

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:

unsigned char *p = (unsigned char *)0xF000FF00;

 

*p="11";

 

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:

 

int *p = (int *)0xF000FF00;

 

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。

 

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:

 

typedef void (*lpFunction) ( ); /* 定义一个无参数、无返回类型的 */

 

/* 函数指针类型 */

 

lpFunction lpReset = (lpFunction)0xF000FFF0; /* 定义一个函数指针,指向*/

 

/* CPU 启动后所执行第一条指令的位置 */

 

lpReset(); /* 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:

 

char * function(void)

{

char *p;

p = (char *)malloc(…);

if(p==NULL)

…;

… /* 一系列针对 p 的操作 */

return p;

}

在某处调用 function(),用完 function 中动态申请的内存后将其 free,如下:

char *q = function();

free(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 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:

 

char *p="malloc"(…);

if(p==NULL)

…;

function(p);

free(p);

p="NULL";

 

而函数 function 则接收参数 p,如下:

 

void function(char *p)

{

… /* 一系列针对 p 的操作 */

}

 

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却范政治错误走反革命道路的杨康。

 

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:

 

const int a;

 

int const a;

 

const int *a;

 

int * const a;

 

int const * a const;

 

const int SIZE = 10;

 

char a[SIZE]; /* 非法:编译阶段不能用到变量 */

 

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。