总结嵌入式C语言难点 (1部分) 【结尾有资料】

大家好！

有人说C语言是非常简单的，也有人说学了十年还是没有学明白。事实上，编写优质嵌入式C程序并非易事，需要了解相关硬件特性和缺陷，还需要了解相应地编译原理。

关键字

几乎每一门语言中都有关键字，具有特殊功能，C语言也不例外，按照功能可分为：

• 数据类型(常用char, short, int, long, unsigned, float, double)

• 运算和表达式( =, +, -, *, while, do-while, if, goto, switch-case)

• 数据存储(auto， static， extern，const， register，volatile，restricted)

• 结构(struct, enum, union,typedef)

• 位操作和逻辑运算(<<, >>, &, |, ~，^, &&)

• 预处理(#define, #include, #error，#if...#elif...#else...#endif等)

• 平台扩展关键字(__asm, __inline，__syscall)

这些关键字共同构成了嵌入式平台的C语言语法，嵌入式的应用从逻辑上可以抽象为以下三个部分：

• 数据的输入(如传感器，信号，接口输入)

• 数据的处理(如协议的解码和封包，AD采样值的转换等)

• 数据的输出(GUI的显示，输出的引脚状态，DA的输出控制电压，PWM波的占空比等)

    贯穿在整个嵌入式应用开发的过程中，对数据的管理包含以下几部分：

• 数据类型

• 存储空间

• 位和逻辑操作

• 数据结构

为了应对嵌入式开发中受限的资源环境，C语言从语法上支撑上述功能的实现，并提供相应的优化机制。

数据类型

C语言支持常用的字符型，整型，浮点型变量，有些编译器如keil还扩展支持bit(位)和sfr(寄存器)等数据类型来满足特殊的地址操作。C语言只规定了每种基本数据类型的最小取值范围，因此在不同芯片平台上相同类型可能占用不同长度的存储空间，这就需要在代码实现时考虑后续移植的兼容性，而C语言提供的typedef就是用于处理这种情况的关键字，在大部分支持跨平台的软件项目中被采用，典型的如下:

既然不同平台的基本数据宽度不同，那么如何确定当前平台的基础数据类型如int的宽度，这就需要C语言提供的接口sizeof，实现如下。

 这里还有重要的知识点，就是指针的宽度，如

其实这就和芯片的可寻址宽度有关，如32位MCU的宽度就是4，64位MCU的宽度就是8，在有些时候这也是查看MCU位宽比较简单的方式。

内存管理和存储架构

C语言允许程序变量在定义时就确定内存地址，通过作用域，以及关键字extern，static，实现了精细的处理机制，按照在硬件的区域不同，内存分配有三种方式：

• 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static 变量。

• 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中 ，效率很高，但是分配的内存容量有限。

• 从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用 malloc 或 new 申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用 free 或 delete 释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但同时遇到问题也最多。

这里先看个简单的C语言实例。

C语言的作用域不仅描述了标识符的可访问的区域，其实也规定了变量的存储区域，在文件作用域的变量st_val和ex_val被分配到静态存储区，其中static关键字主要限定变量能否被其它文件访问，而代码块作用域中的变量a, ptr和local_st_val则要根据类型的不同，分配到不同的区域，其中a是局部变量，被分配到栈中，ptr作为指针，由malloc分配空间，因此定义在堆中，而local_st_val则被关键字限定，表示分配到静态存储区，这里就涉及到重要知识点，static在文件作用域和代码块作用域的意义是不同的：在文件作用域用于限定函数和变量的外部链接性(能否被其它文件访问), 在代码块作用域则用于将变量分配到静态存储区。

对于C语言，如果理解上述知识对于内存管理基本就足够。

但对于嵌入式C编程来说，定义一个变量，它不一定在内存，也就是SRAM中，也有可能在FLASH空间，或直接由寄存器存储(register定义变量或者高优化等级下的部分局部变量)，如定义为const的全局变量定义在FLASH中，定义为register的局部变量会被优化到直接放在通用寄存器中，在优化运行速度，或者存储受限时，理解这部分知识对于代码的维护就很有意义。

此外，嵌入式C语言的编译器中会扩展内存管理机制，如支持分散加载机制和__attribute__((section("用户定义区域")))，允许指定变量存储在特殊的区域如(SDRAM, SQI FLASH), 这强化了对内存的管理，以适应复杂的应用环境场景和需求。

采用这种方式，我们就可以将变量指定到需要的区域，这在某些情况下是必须的，如做GUI或者网页时因为要存储大量图片和文档，内部FLASH空间可能不足，这时就可以将变量声明到外部区域，另外内存中某些部分的数据比较重要，为了避免被其它内容覆盖，可能需要单独划分SRAM区域，避免被误修改导致致命性的错误，这些经验在实际的产品开发中是常用且重要，不过因为篇幅原因，这里只简略的提供例子，如果工作中遇到这种需求，建议详细去了解下。

至于堆的使用，对于嵌入式Linux来说，使用起来和标准C语言一致，注意malloc后的检查，释放后记得置空，避免"野指针“，不过对于资源受限的单片机来说，使用malloc的场景一般较少，如果需要频繁申请内存块的场景，都会构建基于静态存储区和内存块分割的一套内存管理机制，一方面效率会更高(用固定大小的块提前分割，在使用时直接查找编号处理)，另一方面对于内存块的使用可控，可以有效避免内存碎片的问题，常见的如RTOS和网络LWIP都是采用这种机制，我个人习惯也采用这种方式，所以关于堆的细节不在描述，如果希望了解，可以参考中关于存储相关的说明。

指针和数组

数组和指针往往是引起程序bug的主要原因，如数组越界，指针越界，非法地址访问，非对齐访问，这些问题背后往往都有指针和数组的影子，因此理解和掌握指针和数组，是成为合格C语言开发者的必经之路。

数组是由相同类型元素构成，当它被声明时，编译器就根据内部元素的特性在内存中分配一段空间，另外C语言也提供多维数组，以应对特殊场景的需求，而指针则是提供使用地址的符号方法，只有指向具体的地址才有意义，C语言的指针具有最大的灵活性，在被访问前，可以指向任何地址，这大大方便了对硬件的操作，但同时也对开发者有了更高的要求。

参考如下代码：

对于数组来说，一般从0开始获取值，以length-1作为结束，通过[0, length)半开半闭区间访问，这一般不会出问题，但是某些时候，我们需要倒着读取数组时，有可能错误的将length作为起始点，从而导致访问越界，另外在操作数组时，有时为了节省空间，将访问的下标变量i定义为unsigned char类型，而C语言中unsigned char类型的范围是0~255，如果数组较大，会导致数组超过时无法截止，从而陷入死循环，这种在最初代码构建时很容易避免，但后期如果更改需求，在加大数组后，在使用数组的其它地方都会有隐患，需要特别注意。

指针占有的空间与芯片的寻址宽度有关，32位平台为4字节，64位为8字节，而指针的加减运算中的长度又与它的类型相关，如char类型为1，int类型为4，如果你仔细观察上面的代码就会发现par的值增加了8，这是因为指向指针的指针，对应的变量是指针，也就是长度就是指针类型的长度，在64位平台下为8，如果在32位平台则为4，这些知识理解起来并不困难，但是这些特性在工程运用中稍有不慎，就会埋下不易察觉的问题。另外指针还支持强制转换，这在某些情况下相当有用，参考如下代码：

 　基于指针的强制转换，在协议解析，数据存储管理中高效快捷的解决了数据解析的问题，但是在处理过程中涉及的数据对齐，大小端，是常见且十分易错的问题，如上面arr字符数组，通过__align(4)强制定义为4字节对齐是必要的，这里可以保证后续转换成int指针访问时，不会触发非对齐访问异常，如果没有强制定义，char默认是1字节对齐的，当然这并不就是一定触发异常(由整个内存的布局决定arr的地址，也与实际使用的空间是否支持非对齐访问有关，如部分SDRAM使用非对齐访问时，会触发异常), 这就导致可能增减其它变量，就可能触发这种异常，而出异常的地方往往和添加的变量毫无关系，而且代码在某些平台运行正常，切换平台后触发异常，这种隐蔽的现象是嵌入式中很难查找解决的问题。另外，C语言指针还有特殊的用法就是通过强制转换给特定的物理地址访问，通过函数指针实现回调，如下：

这里说明下，volatile易变的，可变的，一般用于以下几种状况：

• 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）

• 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量（Non-automatic variables)

• 多线程应用中被几个任务共享的变量

volatile可以解决用户模式和异常中断访问同一个变量时，出现的不同步问题，另外在访问硬件地址时，volatile也阻止对地址访问的优化，从而确保访问的实际的地址，精通volatile的运用，在嵌入式底层中十分重要，也是嵌入式C从业者的基本要求之一。函数指针在一般嵌入式软件的开发中并不常见，但对许多重要的实现如异步回调，驱动模块，使用函数指针就可以利用简单的方式实现很多应用，当然我这里只能说是抛砖引玉，许多细节知识是值得详细去了解掌握的。

【学习交流群875672513】

【网盘免费资料包，大家需要的自行领取】：

嵌入式物联网 22个STM32项目、大赛作品，【华清远见发放资料包】http://makerschool.mikecrm.com/f4wjYBB

 【下方分享一些嵌入式c语言资料，大家可以学习一下】：

物联网嵌入式工程师网络基础

学习物联网的那些坑

STM32单片机之GPIO开发

STM32-按键消抖

手把手教你做一个语音控制智能灯

物联网人脸识别考勤机

嵌入式应用轻量级数据库。

嵌入式开发也要懂的WEB技术

IIC总线协议