[转载]cortex-m3笔记(1)GPIO-volatile-inline-Static

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2012年01月14日
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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。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile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，怀疑这否会是这样），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。
　　一个值可以同时是vonst和volatile。例如，硬件时钟一般设定为不能由程序改变，这一点使他成为const； 但它被程序以外的代理改变，这使它成为volatile的。只需在声明中同时使用这两个限定词，如下所示，顺序并不重要：
　　volatile const int ioc;
　　const volatile int *ploc;
　　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). 这段代码的有个恶作剧。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;
　　}
　　讲讲我的理解： （欢迎打板子...~~！）
　　关键在于两个地方：
　　1. 编译器的优化 (请高手帮我看看下面的理解)
　　在本次线程内, 当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值；
　　当变量值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致
　　当变量在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
　　当该寄存器在因别的线程等而改变了值，原变量的值不会改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
　　举一个不太准确的例子：
　　发薪资时，会计每次都把员工叫来登记他们的银行卡号；一次会计为了省事，没有即时登记，用了以前登记的银行卡号；刚好一个员工的银行卡丢了，已挂失该银行卡号；从而造成该员工领不到工资
　　员工 －－ 原始变量地址
　　银行卡号 －－ 原始变量在寄存器的备份
　　2. 在什么情况下会出现(如1楼所说)
　　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
　　补充： volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适，“易变的”这种解释简直有点误导人；
　　“易变”是因为外在因素引起的，象多线程，中断等，并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化；
　　而用volatile定义之后，其实这个变量就不会因外因而变化了，可以放心使用了； 大家看看前面那种解释（易变的）是不是在误导人
　　－－－－－－－－－－－－简明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。
　　使用该关键字的例子如下：
　　int volatile nVint;
　　>>>>当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。
　　例如：
　　volatile int i=10;
　　int a = i;
　　...
　　//其他代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操作
　　int b = i;
　　>>>>volatile 指出 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，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b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b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。
　　>>>>注意，在vc6中，一般调试模式没有进行代码优化，所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无volatile关键字，对程序最终代码的影响：
　　>>>>首先，用classwizard建一个win32 console工程，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码：
　　>>
　　＃i nclude 
　　void main()
　　{
　　int i=10;
　　int a = i;
　　printf("i= %d",a);
　　//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值，但是又不让编译器知道
　　__asm {
　　mov dword ptr [ebp-4], 20h
　　}
　　int b = i;
　　printf("i= %d",b);
　　}
　　然后，在调试版本模式运行程序，输出结果如下：
　　i = 10
　　i = 32
　　然后，在release版本模式运行程序，输出结果如下：
　　i = 10
　　i = 10
　　输出的结果明显表明，release模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的i值。下面，我们把 i的声明加上volatile关键字，看看有什么变化：
　　＃i nclude 
　　void main()
　　{
　　volatile int i=10;
　　int a = i;
　　printf("i= %d",a);
　　__asm {
　　mov dword ptr [ebp-4], 20h
　　}
　　int b = i;
　　printf("i= %d",b);
　　}
　　分别在调试版本和release版本运行程序，输出都是：
　　i = 10
　　i = 32
　　这说明这个关键字发挥了它的作用！seo优化
　　－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
　　volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变
　　比如多线程的程序，共同访问的内存当中，多个程序都可以操纵这个变量
　　你自己的程序，是无法判定合适这个变量会发生变化
　　还比如，他和一个外部设备的某个状态对应，当外部设备发生操作的时候，通过驱动程序和中断事件，系统改变了这个变量的数值，而你的程序并不知道。
　　对于volatile类型的变量，系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取，而不会利用cache当中的原有数值，以适应它的未知何时会发生的变化，系统对这种变量的处理不会做优化――显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况wtfyw.com。
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　　典型的例子
　　for ( int i=0; iC/OS-II、FreeRTOS等）的系统节拍定时。
　　由于SysTick是属于ARM Cortex-M3内核里的一个功能单元，因此使用SysTick作为操作系统节拍定时，使得操作系统代码在不同厂家的ARM Cortex-M3内核芯片上都能够方便地进行移植。
　　当然，在不采用操作系统的场合下SysTick完全可以作为一般的定时/计数器来使用。
　　SysTick是一个24位的计数器，采用倒计时方式。SysTick设定初值并使能后，每经过1个系统时钟周期，计数值就减1。计数到0时，SysTick计数器自动重装初值并继续运行，同时申请中断，以通知系统下一步做何动作。
　　通常实现Delay(N)函数的方法为：
　　for(i = 0; i C中表达式形式的宏定义。
　　1． 首先谈一下在C中使用这种形式宏定义的原因，C语言是一个效率很高的语言，这种宏定义在形式及使用上像一个函数，但它使用预处理器实现，没有了参数压栈，代码生成 等一系列的操作,因此，效率很高，这是它在C中被使用的一个主要原因。
　　2． 这种宏定义在形式上类似于一个函数，但在使用它时，仅仅只是做预处理器符号表中的简单替换，因此它不能进行参数有效性的检测，也就不能享受C++编译器严格类型检查的好处，另外它的返回值也不能被强制转换为可转换的合适的类型，这样，它的使用就存在着一系列的隐患和局限性。
　　3． 在C++中引入了类及类的访问控制，这样，如果一个操作或者说一个表达式涉及到类的保护成员或私有成员，你就不可能使用这种宏定义来实现(因为无法将this指针放在合适的位置)。
　　4． inline 推出的目的，也正是为了取代这种表达式形式的宏定义，它消除了它的缺点，同时又很好地继承了它的优点。
　　1． inline 定义的类的内联函数，函数的代码被放入符号表中，在使用时直接进行替换，（像宏一样展开），没有了调用的开销，效率也很高。
　　2． 很明显，类的内联函数也是一个真正的函数，编译器在调用一个内联函数时，会首先检查它的参数的类型，保证调用正确。然后进行一系列的相关检查，就像对待任何一个真正的函数一样。这样就消除了它的隐患和局限性。
　　3． inline 可以作为某个类的成员函数，当然就可以在其中使用所在类的保护成员及私有成员。
　　首先，你可以使用inline函数完全取代表达式形式的宏定义。
　　另外要注意，内联函数一般只会用在函数内容非常简单的时候，这是因为，内联函数的代码会在任何调用它的地方展开，如果函数太复杂，代码膨胀带来的恶果很可能会大于效率的提高带来的益处。内联函数最重要的使用地方是用于类的存取函数。
　　C/C++中Static的作用详述
　　在C语言中，static的字面意思很容易把我们导入歧途，其实它的作用有三条。
　　（1）先来介绍它的第一条也是最重要的一条：隐藏。
　　当我们同时编译多个文件时，所有未加static前缀的全局变量和函数都具有全局可见性。为理解这句话，我举例来说明。我们要同时编译两个源文件，一个是a.c，另一个是main.c。
　　下面是a.c的内容
　　char a = 'A'; // global variable
　　void msg()
　　{
　　printf("Hello\n");
　　}
　　下面是main.c的内容
　　int main(void)
　　{
　　extern char a; // extern variable must be declared before use
　　printf("%c ", a);
　　(void)msg();
　　return 0;
　　}
　　程序的运行结果是：
　　A Hello
　　你可能会问：为什么在a.c中定义的全局变量a和函数msg能在main.c中使用？前面说过，所有未加static前缀的全局变量和函数都具有全局可见性，其它的源文件也能访问。此例中，a是全局变量，msg是函数，并且都没有加static前缀，因此对于另外的源文件main.c是可见的。
　　如果加了static，就会对其它源文件隐藏。例如在a和msg的定义前加上static，main.c就看不到它们了。利用这一特性可以在不同的文件中定义同名函数和同名变量，而不必担心命名冲突。Static可以用作函数和变量的前缀，对于函数来讲，static的作用仅限于隐藏，而对于变量，static还有下面两个作用。
　　（2）static的第二个作用是保持变量内容的持久。存储在静态数据区的变量会在程序刚开始运行时就完成初始化，也是唯一的一次初始化。共有两种变量存储在静态存储区：全局变量和static变量，只不过和全局变量比起来，static可以控制变量的可见范围，说到底static还是用来隐藏的。虽然这种用法不常见，但我还是举一个例子。
　　＃i nclude 
　　int fun(void){
　　static int count = 10; //事实上此赋值语句从来没有执行过
　　return count--;
　　}
　　int count = 1;
　　int main(void)
　　{
　　printf("global\t\tlocal static\n");
　　for(; count 
　　int a;
　　int main(void)
　　{
　　int i;
　　static char str[10];
　　printf("integer: %d; string: (begin)%s(end)", a, str);
　　return 0;
　　}
　　程序的运行结果如下
　　integer: 0; string: (begin)(end)
　　最后对static的三条作用做一句话总结。首先static的最主要功能是隐藏，其次因为static变量存放在静态存储区，所以它具备持久性和默认值0。
　　int main (void) {
　　uint8_t location;
　　if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) {
　　while (1);
　　}
　　void SysTick_Configuration(void)
　　{
　　if (SysTick_Config((SystemCoreClock) / 10)) // 1/10s=100ms
　　{
　　while (1);
　　} NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x0);
　　}
　　SysTick_Config(SystemFrequency / 10) 函数的形参就是systick重装定时器的值。
　　systck计数频率为每秒次，所以次就是1/10秒，也就是100ms。
　　SysTick是1个24bit递减计数器，通过对SysTick控制与状态寄存器的设置，可选择HCLK时钟(72M)或HCLK的8分频(9M，缺省是这个)作为SysTick的时钟源。
　　SysTick的重装寄存器决定了定时器频率。
　　若SysTick的时钟源是72M, SystemFrequency = Hz
　　所以 SysTick_Config(SystemFrequency / 1000)； 就是1ms时基。
　　// 1/1000 s=1ms LED_Config();
　　while(1)
　　{
　　LED_On (0xff); Delay (500); LED_Off(0xff);
　　for(location=0;location