嵌入式C中volatile的用法

根據(jù)c/c++語法，const可以出現(xiàn)的地方，volatile幾乎也都可以出現(xiàn)。但是，const修飾的對(duì)象其值不能改變，而volatile修飾的對(duì)象其值可以隨意地改變，也就是說，volatile對(duì)象值可能會(huì)改變，即使沒有任何代碼去改變它。在這一點(diǎn)上，最典型的例子就是內(nèi)存映射的設(shè)備寄存器和多線程中的共享對(duì)象。懂得使用volatile也是一門小小的藝術(shù)。使用volatile約束符可以阻止編譯器對(duì)代碼過分優(yōu)化防止出現(xiàn)一些你意想不到的情況，達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果;過頻地使用volatile很可能會(huì)增加代碼尺寸和降低性能。下面舉個(gè)例子來說明volatile在優(yōu)化中的微妙作用。

1.阻止編譯器優(yōu)化

ARM Evaluator-7T模擬單機(jī)板使用基于內(nèi)存映射的設(shè)備寄存器叫特殊寄存器，用來

控制和交互外圍設(shè)備。CPU對(duì)內(nèi)存的操作可以做到按位進(jìn)行，而特殊寄存器是4字節(jié)對(duì)齊并占四個(gè)字節(jié)。你可以象unsigned　int變量一樣操作特殊寄存器(有些人可能更喜歡uint32_t，認(rèn)為這樣體現(xiàn)寄存器占用4個(gè)字節(jié)的特點(diǎn)。uint32_t在C99　頭文件中有定義)。而這里，為了體現(xiàn)寄存器本身作為寄存器的含義而非它的物理意義的，我們做如下定義：

typedef uint32_t special_register;

Evaluator-7T板子上有一個(gè)按鈕(可以認(rèn)為是外設(shè)之一)。按下該按鈕可以對(duì)IOPDATA寄存器第8位置1，相反，釋放按鈕會(huì)將該位重新清0。我們使用枚舉方法為IOPDATA寄存器的第8位置定義一個(gè)掩碼mask：

enum { button = 0x100 };

IOPDATA寄存器對(duì)應(yīng)的地址為0x3FF5008，我們可以用宏形象地定義IOPDATA:

#define IOPDATA (*(special_register *)0x03FF5008)

有了這個(gè)定義，我們執(zhí)行下面的循環(huán)就可以使CPU一直等待該按鈕被按下：

while ((IOPDATA button) == 0)

;

然而這個(gè)期望必須建立在編譯器不對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化的前提假設(shè)之上。如果編譯器優(yōu)化這段代碼，那么它會(huì)認(rèn)為在這個(gè)循環(huán)中沒有什么會(huì)改變 IOPDATA而且認(rèn)為條件判斷結(jié)果總是真或假,最終優(yōu)化的結(jié)果是只對(duì)(IOPDATA button)==0判斷一次，之后的循環(huán)都不在對(duì)其進(jìn)行判斷，其等同于：

if ((IOPDATA button) == 0)

for (;;)

;

顯然，如果條件判斷結(jié)果為真(那么之后都會(huì)認(rèn)為是真)，那么這段代碼將會(huì)陷入死循環(huán)。如果判斷為假，那么循環(huán)就此結(jié)束?？梢钥闯觯瑑?yōu)化的代碼效率更高，因?yàn)槊看窝h(huán)相比原來的執(zhí)行時(shí)間要短。不幸的是，這段優(yōu)化代碼使得它根本就不能響應(yīng)按鈕的每次動(dòng)作。那么，如何解決這個(gè)問題呢?解決的關(guān)鍵就是不要讓編譯器優(yōu)化這段代碼，使用volatile就可以辦到這一點(diǎn)。我們修改前面關(guān)于IOPDATA的宏定義：

#define IOPDATA (*(special_register volatile *)0x03FF5008)

這個(gè)定義將IOPDATA 定義為volatile類型的寄存器。volatile隱含地告訴編譯器特殊寄存器可能會(huì)改變內(nèi)容，即使沒有任何顯式地代碼去改變它的內(nèi)容。這樣一來，編譯器就不對(duì)IOPDATA作優(yōu)化，而是每次都去訪問IOPDATA，這其實(shí)正是我們所期望的。

2.無意中降低了效率

有時(shí)候，如果不注意的話，使用volatile會(huì)無意中降低代碼效率。舉個(gè)例子。Evaluator-7T有一個(gè)七段數(shù)碼顯示器見下圖：

在IOPDATA 寄存器中第10到16位用來控制顯示器的每一段。比如第10位就是用來控制頂部的那段顯示，置1則點(diǎn)亮它，清0則熄滅它。我們可以定義一個(gè)掩碼mask來覆蓋從第10到16的所有位：

enum { display = 0x1FC00 };

假設(shè)變量b用來控制這7段顯示器的每一段顯示，并且b的值已經(jīng)你想要設(shè)置值(準(zhǔn)備用來顯示哪幾段和熄滅哪幾段,其它無關(guān)的位均為0)。那么你想要改變?cè)O(shè)置新的顯示方式的操作就是:

IOPDATA = b;

但是這種賦值可能會(huì)改變第10到16位之外的其它位，這是我們不期望的。所以，采用下面的方法更好:

IOPDATA |= b

但是，使用 |= 并不能熄滅那些已經(jīng)點(diǎn)亮的顯示段(1 | 0 -> 1)，所以我們可以用下面的函數(shù)達(dá)到目的：

void display_put(uint32_t b)

{

IOPDATA = ~display;

IOPDATA |= b;

}

不過，可能沒想到的是這樣的操作在無意中降低了代碼效率。因?yàn)槲覀兌xIOPDATA為

volatile類型，它阻止了編譯器對(duì)代碼的優(yōu)化，要求任何讀寫IOPDATA的操作都死死板板地進(jìn)行。IOPDATA = ~display的等價(jià)表現(xiàn)為IOPDATA = IOPDATA ~display，也就是先從IOPDATA讀出內(nèi)容然后與上~display，最后又回寫IOPDATA。同理，IOPDATA |=b也有相似的過程。整個(gè)過程分別有2次讀IOPDATA和2次寫IOPDATA的操作。如果IOPDATA不使用volatile，那么編譯器會(huì)要求將IOPDATA ~display的結(jié)果放在CPU寄存器中，直到完成IOPDATA |= b操作才寫回特殊寄存器IOPDATA。顯然后者較之前者分別省掉了1次讀IOPDATA和1次I寫OPDATA的耗時(shí)操作(外設(shè)操作是最耗時(shí)的)，效率要高很多。如果你想使用volatile但又能使能優(yōu)化功能，你可以將函數(shù)作如下的修改:

void display_put(uint32_t b)

{

register uint32_t temp = IOPDATA;

temp = ~display;

temp |= b;

IOPDATA = temp;

}

這樣做有點(diǎn)煩瑣，下面的等效方法更簡(jiǎn)單:

void display_put(uint32_t b)

{

IOPDATA = (IOPDATA ~display) | b;

}

結(jié)論：從該例子看出，它并不鼓勵(lì)使用volatile，即使要用也要很小心，因?yàn)関olatile可能在無意中降低了代碼效率，而你卻無法察覺。但是，我們說，不鼓勵(lì)并不是說就不能或不要用，而是要懂得何時(shí)用，怎么用好它。其所謂智用了。