ARM学习随笔(6)volatile以及对(*(volatile unsigned long *))的理解

时间:2022-05-17 02:30:04

volatile 影响编译器编译的结果,指出,volatile 变量是随时可能发生变化的,与volatile变量有关的运算,不要进行编译优化,以免出错,(VC++ 在产生release版可执行码时会进行编译优化,加volatile关键字的变量有关的运算,将不进行编译优化。)。 
例如: 
volatile int i=10; 
int j = i; 
... 
int k = i; 
volatile 告诉编译器i是随时可能发生变化的,每次使用它的时候必须从i的地址中读取,因而编译器生成的可执行码会重新从i的地址读取数据放在k中。 
而优化做法是,由于编译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作,它会自动把上次读的数据放在k中。而不是重新从i里面读。这样以来,如果i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错,所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问,不会出错。

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一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是,优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值,而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子: 
1) 并行设备的硬件寄存器(如:状态寄存器) 
2) 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables) 
3) 多线程应用中被几个任务共享的变量 
回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、RTOS等等打交道,所有这些都要求用到volatile变量。不懂得volatile的内容将会带来灾难。假设被面试者正确地回答了这是问题(嗯,怀疑是否会是这样),我将稍微深究一下,看一下这家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。 
1)一个参数既可以是const还可以是volatile吗?解释为什么。 
2); 一个指针可以是volatile 吗?解释为什么。 
3); 下面的函数有什么错误: 
int square(volatile int *ptr) 

return *ptr * *ptr; 

下面是答案: 
1)是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。 
2); 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。 
3) 这段代码有点变态。这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方,但是,由于*ptr指向一个volatile型参数,编译器将产生类似下面的代码: 
int square(volatile int *ptr) 

int a,b; 
a = *ptr; 
b = *ptr; 
return a * b; 

由于*ptr的值可能被意想不到地该变,因此a和b可能是不同的。结果,这段代码可能返不是你所期望的平方值!正确的代码如下: 
long square(volatile int *ptr) 

int a; 
a = *ptr; 
return a * a; 

位操作(Bit manipulation)

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嵌入式编程中经常用到 volatile这个关键字,在网上查了下他的用法可以归结为以下两点:

一:告诉compiler不能做任何优化

   比如要往某一地址送两指令: 
   int *ip =...; //设备地址 
   *ip = 1; //第一个指令 
   *ip = 2; //第二个指令 
   以上程序compiler可能做优化而成: 
   int *ip = ...; 
   *ip = 2; 
   结果第一个指令丢失。如果用volatile, compiler就不允许做任何的优化,从而保证程序的原意: 
   volatile int *ip = ...; 
   *ip = 1; 
   *ip = 2; 
   即使你要compiler做优化,它也不会把两次付值语句间化为一。它只能做其它的优化。这对device driver程序员很有用。

二:表示用volatile定义的变量会在程序外被改变,每次都必须从内存中读取,而不能把他放在cache或寄存器中重复使用。

   如   volatile char a;   
        a=0; 
       while(!a){ 
//do some things;   
       }   
       doother(); 
   如果没有 volatile doother()不会被执行。

(*(volatile unsigned long *))

这个语句对于不同的计算机体系结构,设备可能是端口映射,也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间,并且是端口映射,就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制,因为C语言兵没有提供真正的“端口”的概念。如果是内存映射,那就方便多了。
以 #define IOPIN (*((volatile unsigned long *)0xE0028000))为例:作为一个宏定义语句,define是定义一个变量或常量的伪指令。首先 (volatile unsigned long *) 的意思是将后面那个地址强制转换成 volatile unsigned long * , unsigned long *是无符号长整型,volatile是一个类型限定符,如const一样,当使用volatile限定时,表示这个变量是依赖系统实现的,意味着这个变量会被其他程序或者计算机硬件修改,由于地址依赖于硬件,volatile就表示他的值会依赖于硬件。
volatile 类型是这样的,其数据确实可能在未知的情况下发生变化。比如,硬件设备的终端更改了它,现在硬件设备往往也有自己的私有内存地址,比如显存,他们一般是通过映象的方式,反映到一段特定的内存地址当中,这样,在某些条件下,程序就可以直接访问这些私有内存了。另外,比如共享的内存地址,多个程序都对它操作的时候。你的程序并不知道,这个内存何时被改变了。如果不加这个voliatile修饰,程序是利用cache当中的数据,那个可能是过时的了,加了 voliatile,就在需要用的时候,程序重新去那个地址去提取,保证是最新的。归纳起来如下:
1. volatile变量可变允许除了程序之外的比如硬件来修改他的内容
2. 访问该数据任何时候都会直接访问该地址处内容,即通过cache提高访问速度的优化被取消
对于((volatile unsigned long *) 0xE0028000)为随硬件需要定义的一种地址,前面加上“*”指针,为直接指向该地址,整个定义约定符号IOPIN代替,调用的时候直接对指向的地址寄存器写内容既可。这实际上就是内存映射机制的方便性了。其中volatile关键字是嵌入式系统开发的一个重要特点。上述表达式拆开来分析,首先(volatile unsigned long *) 0xE0028000的意思是把0xE0028000强制转换成volatile unsigned long类型的指针,暂记为p,那么就是#define A *p,即A为P指针指向位置的内容了。这里就是通过内存寻址访问到寄存器A,可以读/写操作。 对于(volatile unsigned char *)0x20可以再分析一下,它是由两部分组成: 1)(unsigned char *)0x20,0x20只是个值,前面加(unsigned char *)表示0x20是个地址,而且这个地址类型是unsigned char ,意思是说读写这个地址时,要写进unsigned char 的值,读出也是unsigned char 。 2)volatile,关键字volatile 确保本条指令不会因C 编译器的优化而被省略,且要求每次直接读值。例如用while((unsigned char *)0x20)时,有时系统可能不真正去读0x20的值,而是用第一次读出的值,如果这样,那这个循环可能是个死循环。用了volatile 则要求每次都去读0x20的实际值。
那么(volatile unsigned char *)0x20是一个固定的指针,是不可变的,不是变量。而char *u则是个指针变量。 再在前面加"*":*(volatile unsigned char *)0x20则变成了变量(普通的unsigned char变量,不是指针变量),如果#define i (*(volatile unsigned char *)0x20),那么与unsigned char i是一样了,只不过前面的i的地址是固定的。
那么问题就可解答了,(*(volatile unsigned char *)0x20)可看作是一个普通变量,这个变量有固定的地址,指向0x20。而0x20只是个常量,不是指针更不是变量。

终于理解了#define SREG (*(volatile unsigned CHAR *)0x5F)
以前看到#define SREG     (*(volatile unsigned 
CHAR *)0x5F)
这样的定义,总是感觉很奇怪,不知道为什么,今天终于有了一点点心得,请大虾们多多批砖~~~

    嵌入式系统编程,要求程序员能够利用C语言访问固定的内存地址。既然是个地址,那么按照C语言的语法规则,这个表示地址的量应该是指针类型。所以,知道要访问的内存地址后,比如0x5F,
    第一步是要把它强制转换为指针类型
(unsigned 
CHAR *)0x5F,AVR的SREG是八位寄存器,所以0x5F强制转换为指向
unsigned 
CHAR类型。
    volatile(可变的)这个关键字说明这变量可能会被意想不到地改变,这样编译器就不会去假设这个变量的值了。这种“意想不到地改变”,不是由程序去改变,而是由硬件去改变——意想不到。
    第二步,对指针变量解引用,就能操作指针所指向的地址的内容了
    *(volatile unsigned 
CHAR *)0x5F
    第三步,小心地把#define宏中的参数用括号括起来,这是一个很好的习惯,所以#define SREG     (*(volatile unsigned 
CHAR *)0x5F)

     类似的,如果使用一个32位处理器,要对一个32位的内存地址进行访问,可以这样定义#define RAM_ADDR      (*(volatile unsigned 
LONG   *)0x0000555F)
     然后就可以用C语言对这个内存地址进行读写操作了
     读:tmp = RAM_ADDR;
     写:RAM_ADDR = 0x55;