c语言-嵌入式专辑11~

一、嵌入式开发中的编译器

如果你和一个优秀的程序员共事，你会发现他对他使用的工具非常熟悉，就像一个画家了解他的画具一样。----比尔.盖茨

1 不能简单的认为是个工具

• 嵌入式程序开发跟硬件密切相关，需要使用C语言来读写底层寄存器、存取数据、控制硬件等，C语言和硬件之间由编译器来联系，一些C标准不支持的硬件特性操作，由编译器提供。
• 汇编可以很轻易的读写指定RAM地址、可以将代码段放入指定的Flash地址、可以精确的设置变量在RAM中分布等等，所有这些操作，在深入了解编译器后，也可以使用C语言实现。
• C语言标准并非完美，有着数目繁多的未定义行为，这些未定义行为完全由编译器自主决定，了解你所用的编译器对这些未定义行为的处理，是必要的。
• 嵌入式编译器对调试做了优化，会提供一些工具，可以分析代码性能，查看外设组件等，了解编译器的这些特性有助于提高在线调试的效率。
• 此外，堆栈操作、代码优化、数据类型的范围等等，都是要深入了解编译器的理由。
• 如果之前你认为编译器只是个工具，能够编译就好。那么，是时候改变这种思想了。

2 不能依赖编译器的语义检查

    编译器的语义检查很弱小，甚至还会“掩盖”错误。现代的编译器设计是件浩瀚的工程，为了让编译器设计简单一些，目前几乎所有编译器的语义检查都比较弱小。为了获得更快的执行效率，C语言被设计的足够灵活且几乎不进行任何运行时检查，比如数组越界、指针是否合法、运算结果是否溢出等等。这就造成了很多编译正确但执行奇怪的程序。

    C语言足够灵活，对于一个数组test[30]，它允许使用像test[-1]这样的形式来快速获取数组首元素所在地址前面的数据；允许将一个常数强制转换为函数指针，使用代码(((void()())0))()来调用位于0地址的函数。C语言给了程序员足够的自由，但也由程序员承担滥用自由带来的责任。

2.1莫名的死机

    下面的两个例子都是死循环，如果在不常用分支中出现类似代码，将会造成看似莫名其妙的死机或者重启。

unsigned char i;    //例程1 
 for(i=0;i<256;i++)
 {
     //其它代码  
 }


 unsigned char i;     //例程2 
 for(i=10;i>=0;i--)
 {
     //其它代码  
 }

    对于无符号char类型，表示的范围为0~255，所以无符号char类型变量i永远小于256（第一个for循环无限执行），永远大于等于0（第二个for循环无限执行）。需要说明的是，赋值代码i=256是被C语言允许的，即使这个初值已经超出了变量i可以表示的范围。C语言会千方百计的为程序员创造出错的机会，可见一斑。

2.2不起眼的改变

    假如你在if语句后误加了一个分号，可能会完全改变了程序逻辑。编译器也会很配合的帮忙掩盖，甚至连警告都不提示。代码如下：

if(a>b);           //这里误加了一个分号  
 a=b;              //这句代码一直被执行

    不但如此，编译器还会忽略掉多余的空格符和换行符，就像下面的代码也不会给出足够提示：

  这段代码的本意是n<3时程序直接返回，由于程序员的失误，return少了一个结束分号。编译器将它翻译成返回表达式logrec.data=x[0]的结果，return后面即使是一个表达式也是C语言允许的。这样当n>=3时，表达式logrec.data=x[0];就不会被执行，给程序埋下了隐患。

2.3 难查的数组越界

    上文曾提到数组常常是引起程序不稳定的重要因素，程序员往往不经意间就会写数组越界。

    一位同事的代码在硬件上运行，一段时间后就会发现LCD显示屏上的一个数字不正常的被改变。经过一段时间的调试，问题被定位到下面的一段代码中：

int SensorData[30];
 //其他代码 
 for(i=30;i>0;i--)
 {
      SensorData[i]=…;
      //其他代码   
 }

    这里声明了拥有30个元素的数组，不幸的是for循环代码中误用了本不存在的数组元素SensorData[30]，但C语言却默许这么使用，并欣然的按照代码改变了数组元素SensorData[30]所在位置的值， SensorData[30]所在的位置原本是一个LCD显示变量，这正是显示屏上的那个值不正常被改变的原因。真庆幸这么轻而易举的发现了这个Bug。

    其实很多编译器会对上述代码产生一个警告：赋值超出数组界限。但并非所有程序员都对编译器警告保持足够敏感，况且，编译器也并不能检查出数组越界的所有情况。比如下面的例子：

    你在模块A中定义数组：

int SensorData[30];

    在模块B中引用该数组，但由于你引用代码并不规范，这里没有显示声明数组大小，但编译器也允许这么做：

extern int SensorData[];

    这次，编译器不会给出警告信息，因为编译器压根就不知道数组的元素个数。所以，当一个数组声明为具有外部链接，它的大小应该显式声明。

    再举一个编译器检查不出数组越界的例子。函数func()的形参是一个数组形式，函数代码简化如下所示：

 这个给SensorData[30]赋初值的语句，编译器也是不给任何警告的。实际上，编译器是将数组名Sensor隐含的转化为指向数组第一个元素的指针，函数体是使用指针的形式来访问数组的，它当然也不会知道数组元素的个数了。造成这种局面的原因之一是C编译器的作者们认为指针代替数组可以提高程序效率，而且，可以简化编译器的复杂度。

    指针和数组是容易给程序造成混乱的，我们有必要仔细的区分它们的不同。其实换一个角度想想，它们也是容易区分的：可以将数组名等同于指针的情况有且只有一处，就是上面例子提到的数组作为函数形参时。其它时候，数组名是数组名，指针是指针。

    下面的例子编译器同样检查不出数组越界。

    我们常常用数组来缓存通讯中的一帧数据。在通讯中断中将接收的数据保存到数组中，直到一帧数据完全接收后再进行处理。即使定义的数组长度足够长，接收数据的过程中也可能发生数组越界，特别是干扰严重时。

    这是由于外界的干扰破坏了数据帧的某些位，对一帧的数据长度判断错误，接收的数据超出数组范围，多余的数据改写与数组相邻的变量，造成系统崩溃。由于中断事件的异步性，这类数组越界编译器无法检查到。

    如果局部数组越界，可能引发ARM架构硬件异常。

    同事的一个设备用于接收无线传感器的数据，一次软件升级后，发现接收设备工作一段时间后会死机。调试表明ARM7处理器发生了硬件异常，异常处理代码是一段死循环（死机的直接原因）。接收设备有一个硬件模块用于接收无线传感器的整包数据并存在自己的缓冲区中，当硬件模块接收数据完成后，使用外部中断通知设备取数据，外部中断服务程序精简后如下所示： 

__irq ExintHandler(void)  
 {
      unsignedchar DataBuf[50];
      GetData(DataBug);        //从硬件缓冲区取一帧数据  
      //其他代码 
 }

    由于存在多个无线传感器近乎同时发送数据的可能加之GetData()函数保护力度不够，数组DataBuf在取数据过程中发生越界。由于数组DataBuf为局部变量，被分配在堆栈中，同在此堆栈中的还有中断发生时的运行环境以及中断返回地址。溢出的数据将这些数据破坏掉，中断返回时PC指针可能变成一个不合法值，硬件异常由此产生。

    如果我们精心设计溢出部分的数据，化数据为指令，就可以利用数组越界来修改PC指针的值，使之指向我们希望执行的代码。

    1988年，第一个网络蠕虫在一天之内感染了2000到6000台计算机，这个蠕虫程序利用的正是一个标准输入库函数的数组越界Bug。起因是一个标准输入输出库函数gets()，原来设计为从数据流中获取一段文本，遗憾的是，gets()函数没有规定输入文本的长度。

    gets()函数内部定义了一个500字节的数组，攻击者发送了大于500字节的数据，利用溢出的数据修改了堆栈中的PC指针，从而获取了系统权限。目前，虽然有更好的库函数来代替gets函数，但gets函数仍然存在着。

2.4神奇的volatile

    做嵌入式设备开发，如果不对volatile修饰符具有足够了解，实在是说不过去。volatile是C语言32个关键字中的一个，属于类型限定符，常用的const关键字也属于类型限定符。

    volatile限定符用来告诉编译器，该对象的值无任何持久性，不要对它进行任何优化；它迫使编译器每次需要该对象数据内容时都必须读该对象，而不是只读一次数据并将它放在寄存器中以便后续访问之用（这样的优化可以提高系统速度）。

    这个特性在嵌入式应用中很有用，比如你的IO口的数据不知道什么时候就会改变，这就要求编译器每次都必须真正的读取该IO端口。这里使用了词语“真正的读”，是因为由于编译器的优化，你的逻辑反应到代码上是对的，但是代码经过编译器翻译后，有可能与你的逻辑不符。

    你的代码逻辑可能是每次都会读取IO端口数据，但实际上编译器将代码翻译成汇编时，可能只是读一次IO端口数据并保存到寄存器中，接下来的多次读IO口都是使用寄存器中的值来进行处理。因为读写寄存器是最快的，这样可以优化程序效率。与之类似的，中断里的变量、多线程中的共享变量等都存在这样的问题。

    不使用volatile，可能造成运行逻辑错误，但是不必要的使用volatile会造成代码效率低下（编译器不优化volatile限定的变量），因此清楚的知道何处该使用volatile限定符，是一个嵌入式程序员的必修内容。

    一个程序模块通常由两个文件组成，源文件和头文件。如果你在源文件定义变量：

unsigned int test;

    并在头文件中声明该变量：

extern unsigned long test;

    编译器会提示一个语法错误：变量’ test’声明类型不一致。但如果你在源文件定义变量：

volatile unsigned int test;

    在头文件中这样声明变量：

extern unsigned int test;     /*缺少volatile限定符*/

    编译器却不会给出错误信息（有些编译器仅给出一条警告）。当你在另外一个模块（该模块包含声明变量test的头文件）使用变量test时，它已经不再具有volatile限定，这样很可能造成一些重大错误。比如下面的例子，注意该例子是为了说明volatile限定符而专门构造出的，因为现实中的volatile使用Bug大都隐含，并且难以理解。

    在模块A的源文件中，定义变量：

volatile unsigned int TimerCount=0;

    该变量用来在一个定时器中断服务程序中进行软件计时：

TimerCount++;

    在模块A的头文件中，声明变量：

extern unsigned int TimerCount;   //这里漏掉了类型限定符volatile

    在模块B中，要使用TimerCount变量进行精确的软件延时：

#include “…A.h”                     //首先包含模块A的头文件  
 //其他代码  
 TimerCount=0;
 while(TimerCount<=TIMER_VALUE);   //延时一段时间(感谢网友chhfish指这里的逻辑错误)  
 //其他代码

    实际上，这是一个死循环。由于模块A头文件中声明变量TimerCount时漏掉了volatile限定符，在模块B中，变量TimerCount是被当作unsigned int类型变量。由于寄存器速度远快于RAM，编译器在使用非volatile限定变量时是先将变量从RAM中拷贝到寄存器中，如果同一个代码块再次用到该变量，就不再从RAM中拷贝数据而是直接使用之前寄存器备份值。

    代码while(TimerCount<=TIMER_VALUE)中，变量TimerCount仅第一次执行时被使用，之后都是使用的寄存器备份值，而这个寄存器值一直为0，所以程序无限循环。下面的流程图说明了程序使用限定符volatile和不使用volatile的执行过程。

 为了更容易的理解编译器如何处理volatile限定符，这里给出未使用volatile限定符和使用volatile限定符程序的反汇编代码：

• 没有使用关键字volatile，在keil MDK V4.54下编译，默认优化级别，如下所示（注意最后两行）：

122:     unIdleCount=0;
    123:
 0x00002E10  E59F11D4  LDR       R1,[PC,#0x01D4]
 0x00002E14  E3A05000  MOV       R5,#key1(0x00000000)
 0x00002E18  E1A00005  MOV       R0,R5
 0x00002E1C  E5815000  STR       R5,[R1]
    124:     while(unIdleCount!=200);   //延时2S钟   
    125:
      0x00002E20  E35000C8  CMP       R0,#0x000000C8  
 0x00002E24  1AFFFFFD  BNE       0x00002E20</span>

• 使用关键字volatile，在keil MDK V4.54下编译，默认优化级别，如下所示（注意最后三行）：

122:     unIdleCount=0;
    123:
 0x00002E10  E59F01D4  LDR       R0,[PC,#0x01D4]
 0x00002E14  E3A05000  MOV       R5,#key1(0x00000000)
 0x00002E18  E5805000  STR       R5,[R0]
    124:     while(unIdleCount!=200);   //延时2S钟   
    125:
 0x00002E1C  E5901000  LDR       R1,[R0]
 0x00002E20  E35100C8  CMP       R1,#0x000000C8  
 0x00002E24  1AFFFFFC  BNE       0x00002E1C

    可以看到，如果没有使用volatile关键字，程序一直比较R0内数据与0xC8是否相等，但R0中的数据是0，所以程序会一直在这里循环比较（死循环）；再看使用了volatile关键字的反汇编代码，程序会先从变量中读出数据放到R1寄存器中，然后再让R1内数据与0xC8相比较，这才是我们C代码的正确逻辑！

2.5局部变量

    ARM架构下的编译器会频繁的使用堆栈，堆栈用于存储函数的返回值、AAPCS规定的必须保护的寄存器以及局部变量，包括局部数组、结构体、联合体和C++的类。默认情况下，堆栈的位置、初始值都是由编译器设置，因此需要对编译器的堆栈有一定了解。

    从堆栈中分配的局部变量的初值是不确定的，因此需要运行时显式初始化该变量。一旦离开局部变量的作用域，这个变量立即被释放，其它代码也就可以使用它，因此堆栈中的一个内存位置可能对应整个程序的多个变量。

    局部变量必须显式初始化，除非你确定知道你要做什么。下面的代码得到的温度值跟预期会有很大差别，因为在使用局部变量sum时，并不能保证它的初值为0。编译器会在第一次运行时清零堆栈区域，这加重了此类Bug的隐蔽性。

 由于一旦程序离开局部变量的作用域即被释放，所以下面代码返回指向局部变量的指针是没有实际意义的，该指针指向的区域可能会被其它程序使用，其值会被改变。

char * GetData(void)  
 {
      char buffer[100];      //局部数组  
      …
      return buffer;
 }

2.6使用外部工具

    由于编译器的语义检查比较弱，我们可以使用第三方代码分析工具，使用这些工具来发现潜在的问题，这里介绍其中比较著名的是PC-Lint。

    PC-Lint由Gimpel Software公司开发，可以检查C代码的语法和语义并给出潜在的BUG报告。PC-Lint可以显著降低调试时间。

    目前公司ARM7和Cortex-M3内核多是使用Keil MDK编译器来开发程序，通过简单配置，PC-Lint可以被集成到MDK上，以便更方便的检查代码。MDK已经提供了PC-Lint的配置模板，所以整个配置过程十分简单，Keil MDK开发套件并不包含PC-Lint程序，在此之前，需要预先安装可用的PC-Lint程序，配置过程如下：

1. 点击菜单Tools---Set-up PC-Lint…

PC-Lint Include Folders：该列表路径下的文件才会被PC-Lint检查，此外，这些路径下的文件内使用#include包含的文件也会被检查；

    Lint Executable：指定PC-Lint程序的路径

    Configuration File：指定配置文件的路径，该配置文件由MDK编译器提供。

1. 菜单Tools---Lint 文件路径.c/.h

    检查当前文件。

1. 菜单Tools---Lint All C-Source Files

    检查所有C源文件。

    PC-Lint的输出信息显示在MDK编译器的Build Output窗口中，双击其中的一条信息可以跳转到源文件所在位置。

    编译器语义检查的弱小在很大程度上助长了不可靠代码的广泛存在。随着时代的进步，现在越来越多的编译器开发商意识到了语义检查的重要性，编译器的语义检查也越来越强大，比如公司使用的Keil MDK编译器，虽然它的编辑器依然不尽人意，但在其V4.47及以上版本中增加了动态语法检查并加强了语义检查，可以友好的提示更多警告信息。建议经常关注编译器官方网站并将编译器升级到V4.47或以上版本，升级的另一个好处是这些版本的编辑器增加了标识符自动补全功能，可以大大节省编码的时间。

3 你觉得有意义的代码未必正确

    C语言标准特别的规定某些行为是未定义的，编写未定义行为的代码，其输出结果由编译器决定！C标准委员会定义未定义行为的原因如下：

• 简化标准，并给予实现一定的灵活性，比如不捕捉那些难以诊断的程序错误；
• 编译器开发商可以通过未定义行为对语言进行扩展
  C语言的未定义行为，使得C极度高效灵活并且给编译器实现带来了方便，但这并不利于优质嵌入式C程序的编写。因为许多 C 语言中看起来有意义的东西都是未定义的，并且这也容易使你的代码埋下隐患，并且不利于跨编译器移植。Java程序会极力避免未定义行为，并用一系列手段进行运行时检查，使用Java可以相对容易的写出安全代码，但体积庞大效率低下。作为嵌入式程序员，我们需要了解这些未定义行为，利用C语言的灵活性，写出比Java更安全、效率更高的代码来。

3.1常见的未定义行为

1. 自增自减在表达式中连续出现并作用于同一变量或者自增自减在表达式中出现一次，但作用的变量多次出现

    自增（++）和自减（--）这一动作发生在表达式的哪个时刻是由编译器决定的，比如：

r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++];

    不同的编译器可能有着不同的汇编代码，可能是先执行i++再进行乘法和加法运行，也可能是先进行加法和乘法运算，再执行i++，因为这句代码在一个表达式中出现了连续的自增并作用于同一变量。更加隐蔽的是自增自减在表达式中出现一次，但作用的变量多次出现，比如：

a[i] = i++; /* 未定义行为 */

    先执行i++再赋值，还是先赋值再执行i++是由编译器决定的，而两种不同的执行顺序的结果差别是巨大的。

1. 函数实参被求值的顺序

    函数如果有多个实参，这些实参的求值顺序是由编译器决定的，比如：

printf("%d %d\n", ++n, power(2, n));    /* 未定义行为 */

    是先执行++n还是先执行power(2,n)是由编译器决定的。

1. 有符号整数溢出

    有符号整数溢出是未定义的行为，编译器决定有符号整数溢出按照哪种方式取值。比如下面代码：

int value1,value2,sum
 //其它操作  
 sum=value1+value;    /*sum可能发生溢出*/

1. 有符号数右移、移位的数量是负值或者大于操作数的位数
2. 除数为零
3. malloc()、calloc()或realloc()分配零字节内存

3.2如何避免C语言未定义行为

    代码中引入未定义行为会为代码埋下隐患，防止代码中出现未定义行为是困难的，我们总能不经意间就会在代码中引入未定义行为。但是还是有一些方法可以降低这种事件，总结如下：

• 了解C语言未定义行为

    标准C99附录J.2“未定义行为”列举了C99中的显式未定义行为，通过查看该文档，了解那些行为是未定义的，并在编码中时刻保持警惕；

• 寻求工具帮助

    编译器警告信息以及PC-Lint等静态检查工具能够发现很多未定义行为并警告，要时刻关注这些工具反馈的信息；

• 总结并使用一些编码标准

    1）避免构造复杂的自增或者自减表达式，实际上，应该避免构造所有复杂表达式；

比如a[i] = i++;语句可以改为a[i] = i; i++;这两句代码。

    2）只对无符号操作数使用位操作；

• 必要的运行时检查

    检查是否溢出、除数是否为零，申请的内存数量是否为零等等，比如上面的有符号整数溢出例子，可以按照如下方式编写，以消除未定义特性：

int value1,value2,sum;
 //其它代码  
 if((value1>0 && value2>0 && value1>(INT_MAX-value2))||
    (value1<0 && value2<0 && value1<(INT_MIN-value2)))
 {
     //处理错误  
 }
 else  
 {
     sum=value1+value2;
 }

    上面的代码是通用的，不依赖于任何CPU架构，但是代码效率很低。如果是有符号数使用补码的CPU架构（目前常见CPU绝大多数都是使用补码），还可以用下面的代码来做溢出检查：

int value1, value2, sum;
unsigned int usum = (unsigned int)value1 + value2;

if((usum ^ value1) & (usum ^ value2) & INT_MIN)
{
 /*处理溢出情况*/
}
else
{
 sum = value1 + value2;
}

    使用的原理解释一下，因为在加法运算中，操作数value1和value2只有符号相同时，才可能发生溢出，所以我们先将这两个数转换为无符号类型，两个数的和保存在变量usum中。如果发生溢出，则value1、value2和usum的最高位（符号位）一定不同，表达式(usum ^ value1) & (usum ^ value2) 的最高位一定为1，这个表达式位与（&）上INT_MIN是为了将最高位之外的其它位设置为0。

• 了解你所用的编译器对未定义行为的处理策略

    很多引入了未定义行为的程序也能运行良好，这要归功于编译器处理未定义行为的策略。不是你的代码写的正确，而是恰好编译器处理策略跟你需要的逻辑相同。了解编译器的未定义行为处理策略，可以让你更清楚的认识到那些引入了未定义行为程序能够运行良好是多么幸运的事，不然多换几个编译器试试！

    以Keil MDK为例，列举常用的处理策略如下：

1） 有符号量的右移是算术移位，即移位时要保证符号位不改变。

2）对于int类的值：超过31位的左移结果为零；无符号值或正的有符号值超过31位的右移结果为零。负的有符号值移位结果为-1。

3）整型数除以零返回零

4 了解你的编译器

    在嵌入式开发过程中，我们需要经常和编译器打交道，只有深入了解编译器，才能用好它，编写更高效代码，更灵活的操作硬件，实现一些高级功能。下面以公司最常用的Keil MDK为例，来描述一下编译器的细节。

4.1编译器的一些小知识

1. 默认情况下，char类型的数据项是无符号的，所以它的取值范围是0～255；
2. 在所有的内部和外部标识符中，大写和小写字符不同；
3. 通常局部变量保存在寄存器中，但当局部变量太多放到栈里的时候，它们总是字对齐的。
4. 压缩类型的自然对齐方式为1。使用关键字__packed来压缩特定结构，将所有有效类型的对齐边界设置为1；
5. 整数以二进制补码形式表示；浮点量按IEEE格式存储；
6. 整数除法的余数的符号于被除数相同，由ISO C90标准得出；
7. 如果整型值被截断为短的有符号整型，则通过放弃适当数目的最高有效位来得到结果。如果原始数是太大的正或负数，对于新的类型，无法保证结果的符号将于原始数相同。
8. 整型数超界不引发异常；像unsigned char test; test=1000;这类是不会报错的；
9. 在严格C中，枚举值必须被表示为整型。例如，必须在‑2147483648 到+2147483647的范围内。但MDK自动使用对象包含enum范围的最小整型来实现（比如char类型），除非使用编译器命令‑‑enum_is_int 来强制将enum的基础类型设为至少和整型一样宽。超出范围的枚举值默认仅产生警告：#66:enumeration value is out of "int" range；
10. 对于结构体填充，根据定义结构的方式，keil MDK编译器用以下方式的一种来填充结构：

I> 定义为static或者extern的结构用零填充；

II> 栈或堆上的结构，例如，用malloc()或者auto定义的结构，使用先前存储在那些存储器位置的任何内容进行填充。不能使用memcmp()来比较以这种方式定义的填充结构！

1. 编译器不对声明为volatile类型的数据进行优化；
2. __nop()：延时一个指令周期，编译器绝不会优化它。如果硬件支持NOP指令，则该句被替换为NOP指令，如果硬件不支持NOP指令，编译器将它替换为一个等效于NOP的指令，具体指令由编译器自己决定；
3. __align(n)：指示编译器在n 字节边界上对齐变量。对于局部变量，n的值为1、2、4、8；
4. attribute((at(address)))：可以使用此变量属性指定变量的绝对地址；
5. __inline：提示编译器在合理的情况下内联编译C或C++ 函数；

4.2初始化的全局变量和静态变量的初始值被放到了哪里？

    我们程序中的一些全局变量和静态变量在定义时进行了初始化，经过编译器编译后，这些初始值被存放在了代码的哪里？我们举个例子说明：

unsigned int g_unRunFlag=0xA5;
 static unsigned int s_unCountFlag=0x5A;

    我曾做过一个项目，项目中的一个设备需要在线编程，也就是通过协议，将上位机发给设备的数据通过在应用编程（IAP）技术写入到设备的内部Flash中。我将内部Flash做了划分，一小部分运行程序，大部分用来存储上位机发来的数据。随着程序量的增加，在一次更新程序后发现，在线编程之后，设备运行正常，但是重启设备后，运行出现了故障！经过一系列排查，发现故障的原因是一个全局变量的初值被改变了。

    这是件很不可思议的事情，你在定义这个变量的时候指定了初始值，当你在第一次使用这个变量时却发现这个初值已经被改掉了！这中间没有对这个变量做任何赋值操作，其它变量也没有任何溢出，并且多次在线调试表明，进入main函数的时候，该变量的初值已经被改为一个恒定值。

    要想知道为什么全局变量的初值被改变，就要了解这些初值编译后被放到了二进制文件的哪里。在此之前，需要先了解一点链接原理。

    ARM映象文件各组成部分在存储系统中的地址有两种：一种是映象文件位于存储器时（通俗的说就是存储在Flash中的二进制代码）的地址，称为加载地址；一种是映象文件运行时（通俗的说就是给板子上电，开始运行Flash中的程序了）的地址，称为运行时地址。

    赋初值的全局变量和静态变量在程序还没运行的时候，初值是被放在Flash中的，这个时候他们的地址称为加载地址，当程序运行后，这些初值会从Flash中拷贝到RAM中，这时候就是运行时地址了。

    原来，对于在程序中赋初值的全局变量和静态变量，程序编译后，MDK将这些初值放到Flash中，位于紧靠在可执行代码的后面。在程序进入main函数前，会运行一段库代码，将这部分数据拷贝至相应RAM位置。

    由于我的设备程序量不断增加，超过了为设备程序预留的Flash空间，在线编程时，将一部分存储全局变量和静态变量初值的Flash给重新编程了。在重启设备前，初值已经被拷贝到RAM中，所以这个时候程序运行是正常的，但重新上电后，这部分初值实际上是在线编程的数据，自然与初值不同了。

4.3在C代码中使用的变量，编译器将他们分配到RAM的哪里？

    我们会在代码中使用各种变量，比如全局变量、静态变量、局部变量，并且这些变量时由编译器统一管理的，有时候我们需要知道变量用掉了多少RAM，以及这些变量在RAM中的具体位置。

    这是一个经常会遇到的事情，举一个例子，程序中的一个变量在运行时总是不正常的被改变，那么有理由怀疑它临近的变量或数组溢出了，溢出的数据更改了这个变量值。要排查掉这个可能性，就必须知道该变量被分配到RAM的哪里、这个位置附近是什么变量，以便针对性的做跟踪。

    其实MDK编译器的输出文件中有一个“工程名.map”文件，里面记录了代码、变量、堆栈的存储位置，通过这个文件，可以查看使用的变量被分配到RAM的哪个位置。要生成这个文件，需要在Options for Targer窗口，Listing标签栏下，勾选Linker Listing前的复选框，如下图所示。

4.4默认情况下，栈被分配到RAM的哪个地方？

    MDK中，我们只需要在配置文件中定义堆栈大小，编译器会自动在RAM的空闲区域选择一块合适的地方来分配给我们定义的堆栈，这个地方位于RAM的那个地方呢？

    通过查看MAP文件，原来MDK将堆栈放到程序使用到的RAM空间的后面，比如你的RAM空间从0x4000 0000开始，你的程序用掉了0x200字节RAM，那么堆栈空间就从0x4000 0200处开始。

    使用了多少堆栈，是否溢出?

4.5 有多少RAM会被初始化？

    在进入main()函数之前，MDK会把未初始化的RAM给清零的，我们的RAM可能很大，只使用了其中一小部分，MDK会不会把所有RAM都初始化呢？

    答案是否定的，MDK只是把你的程序用到的RAM以及堆栈RAM给初始化，其它RAM的内容是不管的。如果你要使用绝对地址访问MDK未初始化的RAM，那就要小心翼翼的了，因为这些RAM上电时的内容很可能是随机的，每次上电都不同。

4.6 MDK编译器如何设置非零初始化变量？

    对于控制类产品，当系统复位后（非上电复位），可能要求保持住复位前RAM中的数据，用来快速恢复现场，或者不至于因瞬间复位而重启现场设备。而keil mdk在默认情况下，任何形式的复位都会将RAM区的非初始化变量数据清零。

    MDK编译程序生成的可执行文件中，每个输出段都最多有三个属性：RO属性、RW属性和ZI属性。对于一个全局变量或静态变量，用const修饰符修饰的变量最可能放在RO属性区，初始化的变量会放在RW属性区，那么剩下的变量就要放到ZI属性区了。

    默认情况下，ZI属性区的数据在每次复位后，程序执行main函数内的代码之前，由编译器“自作主张”的初始化为零。所以我们要在C代码中设置一些变量在复位后不被零初始化，那一定不能任由编译器“胡作非为”，我们要用一些规则，约束一下编译器。

    分散加载文件对于连接器来说至关重要，在分散加载文件中，使用UNINIT来修饰一个执行节，可以避免编译器对该区节的ZI数据进行零初始化。这是要解决非零初始化变量的关键。

    因此我们可以定义一个UNINIT修饰的数据节，然后将希望非零初始化的变量放入这个区域中。于是，就有了第一种方法：

1. 修改分散加载文件，增加一个名为MYRAM的执行节，该执行节起始地址为0x1000A000，长度为0x2000字节（8KB），由UNINIT修饰：

LR_IROM1 0x00000000 0x00080000  {    ; load region size_region
   ER_IROM1 0x00000000 0x00080000  {  ; load address = execution address
    *.o (RESET, +First)
    *(InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO)
   }
   RW_IRAM1 0x10000000 0x0000A000  {  ; RW data
    .ANY (+RW +ZI)
   }
   MYRAM 0x1000A000 UNINIT 0x00002000  {
    .ANY (NO_INIT)
   }
 }

    那么，如果在程序中有一个数组，你不想让它复位后零初始化，就可以这样来定义变量：

unsigned char  plc_eu_backup[32] __attribute__((at(0x1000A000)));

    变量属性修饰符__attribute__((at(adde)))用来将变量强制定位到adde所在地址处。由于地址0x1000A000开始的8KB区域ZI变量不会被零初始化，所以位于这一区域的数组plc_eu_backup也就不会被零初始化了。     

    这种方法的缺点是显而易见的：要程序员手动分配变量的地址。如果非零初始化数据比较多，这将是件难以想象的大工程（以后的维护、增加、修改代码等等）。所以要找到一种办法，让编译器去自动分配这一区域的变量。

1. 分散加载文件同方法1，如果还是定义一个数组，可以用下面方法：

unsigned char  plc_eu_backup[32] __attribute__((section("NO_INIT"),zero_init));

    变量属性修饰符__attribute__((section(“name”),zero_init))用于将变量强制定义到name属性数据节中，zero_init表示将未初始化的变量放到ZI数据节中。因为“NO_INIT”这显性命名的自定义节，具有UNINIT属性。

1. 将一个模块内的非初始化变量都非零初始化

    假如该模块名字为test.c，修改分散加载文件如下所示：

LR_IROM1 0x00000000 0x00080000  {    ; load region size_region
   ER_IROM1 0x00000000 0x00080000  {  ; load address = execution address
    *.o (RESET, +First)
    *(InRoot$$Sections)
   }
   RW_IRAM1 0x10000000 0x0000A000  {  ; RW data
    .ANY (+RW +ZI)
   }
   RW_IRAM2 0x1000A000 UNINIT 0x00002000  {
    test.o (+ZI)
   }
 }

    在该模块定义时变量时使用如下方法：

    这里，变量属性修饰符__attribute__((zero_init))用于将未初始化的变量放到ZI数据节中变量，其实MDK默认情况下，未初始化的变量就是放在ZI数据区的。

二、嵌入式操作系统的内存管理算法

主要介绍内存的基本概念以及操作系统的内存管理算法。

1 内存的基本概念

内存是计算机系统中除了处理器以外最重要的资源，用于存储当前正在执行的程序和数据。内存是相对于CPU来说的，CPU可以直接寻址的存储空间叫做内存，CPU需要通过驱动才能访问的叫做外存。

2 ROM&RAM&Flash

内存一般采用半导体存储单元，分为只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存储器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能读取不能写入，掉电后其中的数据也不会丢失。RAM既可以从中读取也可以写入，但是掉电后其中的数据会丢失。内存一般指的就是RAM。

ROM在嵌入式系统中一般用于存储BootLoader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用。近年来闪存（Flash）已经全面代替了ROM在嵌入式系统中的地位，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程的特性，而且断电也不会丢失数据，同时可以快速读取数据。

3 两类内存管理方式

内存管理模块管理系统的内存资源，它是操作系统的核心模块之一。主要包括内存的初始化、分配以及释放。

从分配内存是否连续，可以分为两大类。

• 连续内存管理

为进程分配的内存空间是连续的，但这种分配方式容易形成内存碎片（碎片是难以利用的空闲内存，通常是小内存），降低内存利用率。连续内存管理主要分为单一连续内存管理和分区式内存管理两种。

• 非连续内存管理

将进程分散到多个不连续的内存空间中，可以减少内存碎片，内存使用率更高。如果分配的基本单位是页，则称为分页内存管理；如果基本单位是段，则称为分段内存管理。

当前的操作系统，普遍采用非连续内存管理方式。不过因为分配粒度较大，对于内存较小的嵌入式系统，一般采用连续内存管理。本文主要对嵌入式系统中常用的连续内存管理的分区式内存管理进行介绍。

4 分区式内存管理

分区式内存管理分为固定分区和动态分区。

• 固定分区
  事先就把内存划分为若干个固定大小的区域。分区大小既可以相等也可以不等。固定分区易于实现，但是会造成分区内碎片浪费，而且分区总数固定，限制了可以并发执行的进程数量。
• 动态分区

根据进程的实际需要，动态地给进程分配所需内存。

5 动态分区内存管理

运作机制

动态分区管理一般采用空闲链表法，即基于一个双向链表来保存空闲分区。对于初始状态，整个内存块都会被作为一个大的空闲分区加入到空闲链表中。当进程申请内存时，将会从这个空闲链表中找到一个大小满足要求的空闲分区。如果分区大于所需内存，则从该分区中拆分出需求大小的内存交给进程，并将此拆分出的内存从空闲链表中移除，剩下的内存仍然是一个挂在空闲链表中的空闲分区。

数据结构

空闲链表法有多种数据结构实现，这里介绍一种较为简单的数据结构。每个空闲分区的数据结构中包含分区的大小，以及指向前一个分区和后一个分区的指针，这样就能将各个空闲分区链接成一个双向链表。

内存分配算法

• First Fit（首次适应算法）

First Fit要求空闲分区链表以地址从小到大的顺序链接。分配内存时，从链表的第一个空闲分区开始查找，将最先能够满足要求的空闲分区分配给进程。

• Next Fit（循环首次适应算法）

Next Fit由First Fit算法演变而来。分配内存时，从上一次刚分配过的空闲分区的下一个开始查找，直至找到能满足要求的空闲分区。查找时会采用循环查找的方式，即如果直到链表最后一个空闲分区都不能满足要求，则返回到第一个空闲分区开始查找。

• Best Fit（最佳适应算法）

从所有空闲分区中找出能满足要求的、且大小最小的空闲分区。为了加快查找速度，Best Fit算法会把所有空闲分区按其容量从小到大的顺序链接起来，这样第一次找到的满足大小要求的内存必然是最小的空闲分区。

• Worst Fit（最坏适应算法）

从所有空闲分区中找出能满足要求的、且大小最大的空闲分区。Worst Fit算法按其容量从大到小的顺序链接所有空闲分区。

• Two LevelSegregated Fit（TLSF）

使用两层链表来管理空闲内存，将空闲分区大小进行分类，每一类用一个空闲链表表示，其中的空闲内存大小都在某个特定值或者某个范围内。这样存在多个空闲链表，所以又用一个索引链表来管理这些空闲链表，该表的每一项都对应一种空闲链表，并记录该类空闲链表的表头指针。

图中，第一层链表将空闲内存块的大小根据2的幂进行分类。第二层链表是具体的每一类空闲内存块按照一定的范围进行线性分段。比如25这一类，以23即8分为4个内存区间【25，25+8），【25+8，25+16），【25+16，25+24），【25+24，25+32）；216这一类，以214分为4个小区间【216，216+214），【216+214，216+2*214），【216+2*214，216+3*214），【216+3*214，216+4*214）。同时为了快速检索到空闲块，每一层链表都有一个bitmap用于标记对应的链表中是否有空闲块，比如第一层bitmap后3位010，表示25这一类内存区间有空闲块。对应的第二层bitmap为0100表示【25+16，25+24）这个区间有空闲块，即下面的52Byte。

• Buddysystems（伙伴算法）

Segregated Fit算法的变种，具有更好的内存拆分和回收合并效率。伙伴算法有很多种类，比如BinaryBuddies，Fibonacci Buddies等。Binary Buddies是最简单也是最流行的一种，将所有空闲分区根据分区的大小进行分类，每一类都是具有相同大小的空闲分区的集合，使用一个空闲双向链表表示。BinaryBuddies中所有的内存分区都是2的幂次方。

因为无论是已分配的或是空闲的分区，其大小均为 2 的幂次方，即使进程申请的内存小于分配给它的内存块，多余的内存也不会再拆分出来给其他进程使用，这样就容易造成内部碎片。

当进程申请一块大小为n的内存时的分配步骤为：

1、计算一个i值，使得2i-1<n≤2i

2、在空闲分区大小为2i的空闲链表中查找

3、如果找到空闲块，则分配给进程

4、如果2i的空闲分区已经耗尽，则在分区大小为2i+1的空闲链表中查找

5、如果存在2i+1的空闲分区，则将此空闲块分为相等的两个分区，这两分区就是一对伙伴，其中一块分配给进程，另一块挂到分区大小为2i的空闲链表中

6、如果2i+1的空闲分区还是不存在，则继续查找大小为2i+2的空闲分区。如果找到，需要进行两次拆分。第一次拆分为两块大小为2i+1的分区，一块分区挂到大小为2i+1的空闲链表中，另一块分区继续拆分为两块大小为2i的空闲分区，一块分配给进程，另一块挂到大小为2i的空闲链表中

7、如果2i+2的空闲分区也找不到，则继续查找2i+3，以此类推

在内存回收时，如果待回收的内存块与空闲链表中的一块内存互为伙伴，则将它们合并为一块更大的内存块，如果合并后的内存块在空闲链表中还有伙伴，则继续合并到不能合并为止，并将合并后的内存块挂到对应的空闲链表中。

下面的表格对上面6种算法的优缺点进行了比较：

三、详解STM32单片机的堆栈

 学习STM32单片机的时候，总是能遇到“堆栈”这个概念。分享本文，希望对你理解堆栈有帮助。

    对于了解一点汇编编程的人，就可以知道，堆栈是内存中一段连续的存储区域，用来保存一些临时数据。堆栈操作由PUSH、POP两条指令来完成。而程序内存可以分为几个区：

• 栈区（stack）
• 堆区（Heap）
• 全局区（static）
• 文字常亮区程序代码区

    程序编译之后，全局变量，静态变量已经分配好内存空间，在函数运行时，程序需要为局部变量分配栈空间，当中断来时，也需要将函数指针入栈，保护现场，以便于中断处理完之后再回到之前执行的函数。
    栈是从高到低分配，堆是从低到高分配。

普通单片机与STM32单片机中堆栈的区别
    普通单片机启动时，不需要用bootloader将代码从ROM搬移到RAM。

    但是STM32单片机需要。

    这里我们可以先看看单片机程序执行的过程，单片机执行分三个步骤：

• 取指令
• 分析指令
• 执行指令

    根据PC的值从程序存储器读出指令，送到指令寄存器。然后分析执行执行。这样单片机就从内部程序存储器去代码指令，从RAM存取相关数据。

    RAM取数的速度是远高于ROM的，但是普通单片机因为本身运行频率不高，所以从ROM取指令慢并不影响。

    而STM32的CPU运行的频率高，远大于从ROM读写的速度。所以需要用bootloader将代码从ROM搬移到RAM。

    使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。

    其实堆栈就是单片机中的一些存储单元，这些存储单元被指定保存一些特殊信息，比如地址（保护断点）和数据（保护现场）。

    如果非要给他加几个特点的话那就是：

• 这些存储单元中的内容都是程序执行过程中被中断打断时，事故现场的一些相关参数。如果不保存这些参数，单片机执行完中断函数后就无法回到主程序继续执行了。
• 这些存储单元的地址被记在了一个叫做堆栈指针（SP）的地方。

结合STM32的开发讲述堆栈

    从上面的描述可以看得出来，在代码中是如何占用堆和栈的。可能很多人还是无法理解，这里再结合STM32的开发过程中与堆栈相关的内容来进行讲述。

    如何设置STM32的堆栈大小？

    在基于MDK的启动文件开始，有一段汇编代码是分配堆栈大小的。

   这里重点知道堆栈数值大小就行。还有一段AREA（区域），表示分配一段堆栈数据段。数值大小可以自己修改，也可以使用STM32CubeMX数值大小配置，如下图所示。

STM32F1默认设置值0x400，也就是1K大小。

Stack_Size EQU 0x400

    函数体内局部变量：

void Fun(void){ char i; int Tmp[256]; //...}

    局部变量总共占用了256*4 + 1字节的栈空间。所以，在函数内有较多局部变量时，就需要注意是否超过我们配置的堆栈大小。

    函数参数：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

    这里要强调一点：传递指针只占4字节，如果传递的是结构体，就会占用结构大小空间。提示：在函数嵌套,递归时，系统仍会占用栈空间。

    堆（Heap）的默认设置0x200（512）字节。

Heap_Size EQU 0x200

    大部分人应该很少使用malloc来分配堆空间。虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问，但是，如果忘记了释放堆内存，那么将会造成内存泄漏，甚至致命的潜在错误。

MDK中RAM占用大小分析

    经常在线调试的人，可能会分析一些底层的内容。这里结合MDK-ARM来分析一下RAM占用大小的问题。在MDK编译之后，会有一段RAM大小信息：

  这里4+6=1640，转换成16进制就是0x668，在进行在调试时，会出现：

  这个MSP就是主堆栈指针，一般我们复位之后指向的位置，复位指向的其实是栈顶：

    而MSP指向地址0x20000668是0x20000000偏移0x668而得来。具体哪些地方占用了RAM，可以参看map文件中【Image Symbol Table】处的内容：

四、STM32F10x中，一些专业术语

GPIO（General Purpose Input Output）是通用输入/输出端口；每个GPIO端口可通过软件分别配置成输入或输出；输出又分为推挽式（Push-Pull）和开漏式（Open-Drain）。

    USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是通用同步/异步串行接收/发送器，支持全双工操作；可设置波特率，数据位，停止位，校验位等。
    PWM（Pulse Width Modulation）是脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。简单一点，就是对脉冲宽度的控制。

    OLED（Organic Light-Emitting Diode）即有机发光二极管；具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的，因此，OLED效果要来得好一些。OLED的尺寸难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。

    TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）即薄膜晶体管液晶显示器；它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。

    RTC（Real Time Clock）即实时时钟，是一个独立的定时器。RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。

    ADC（Analog-to-Digital Converter）指模拟/数字转换器。是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，在各种不同的产品中都可以找到它的身影

    DMA（Direct Memory Access）即直接存储器访问。DMA传输方式无需 CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路，能使 CPU的效率大为提高。

    I2C（Inter-Integrated Circuit）即集成电路总线，它用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。

    SPI（Serial Peripheral Interface）是串行外围设备接口。SPI接口主要应用在FLASH，EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），RTC（Real Time Clock），ADC（Analog to Digital Converter），还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB（Printed Circuit Board）的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

    PS/2是电脑上常见的接口之一，用于鼠标、键盘等设备。，PS/2接口的鼠标为绿色，键盘为紫色。PS/2接口是输入装置接口，而不是传输接口。所以PS2口根本没有传输速率的概念，只有扫描速率。在Windows环境下，ps/2鼠标的采样率默认为60次/秒，USB鼠标的采样率为120次/秒。较高的采样率理论上可以提高鼠标的移动精度。

    USB（Universal Serial BUS）即通用串行总线；它是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。它是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

    SD（Secure Digital Memory Card）即安全数码存储卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、多媒体播放器等。