想成為嵌入式程序員應知道的0x10個基本問題

1 . 用預處理指令#define 聲明一個常數(shù)，用以表明1年中有多少秒（忽略閏年問題）

#define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL
我在這想看到幾件事情：
•; #define 語法的基本知識（例如：不能以分號結束，括號的使用，等等）

•; 懂得預處理器將為你計算常數(shù)表達式的值，因此，直接寫出你是如何計算一年中有多少秒而不是計算出實際的值，是更清晰而沒有代價的。
•; 意識到這個表達式將使一個16位機的整型數(shù)溢出-因此要用到長整型符號L,告訴編譯器這個常數(shù)是的長整型數(shù)。
•; 如果你在你的表達式中用到UL（表示無符號長整型），那么你有了一個好的起點。記住，第一印象很重要。
2 . 寫一個"標準"宏MIN ，這個宏輸入兩個參數(shù)并返回較小的一個。

#define MIN(A,B) （（A） <= (B) ? (A) : (B))

這個測試是為下面的目的而設的：
&#8226;; 標識#define在宏中應用的基本知識。這是很重要的，因為直到嵌入(inline)操作符變?yōu)闃藴蔆的一部分，宏是方便產(chǎn)生嵌入代碼的唯一方法，對于嵌入式系統(tǒng)來說，為了能達到要求的性能，嵌入代碼經(jīng)常是必須的方法。
&#8226;; 三重條件操作符的知識。這個操作符存在C語言中的原因是它使得編譯器能產(chǎn)生比if-then-else更優(yōu)化的代碼，了解這個用法是很重要的。
&#8226;; 懂得在宏中小心地把參數(shù)用括號括起來
&#8226;; 我也用這個問題開始討論宏的副作用，例如：當你寫下面的代碼時會發(fā)生什么事？

least = MIN(*p++, b);

3. 預處理器標識#error的目的是什么？
如果你不知道答案，請看參考文獻1。這問題對區(qū)分一個正常的伙計和一個書呆子是很有用的。只有書呆子才會讀C語言課本的附錄去找出象這種問題的答案。當然如果你不是在找一個書呆子，那么應試者最好希望自己不要知道答案。
死循環(huán)（Infinite loops）

4. 嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常要用到無限循環(huán)，你怎么樣用C編寫死循環(huán)呢？
這個問題用幾個解決方案。我首選的方案是：

while(1)
{
?}

一些程序員更喜歡如下方案：

for(;;)
{
?}

這個實現(xiàn)方式讓我為難，因為這個語法沒有確切表達到底怎么回事。如果一個應試者給出這個作為方案，我將用這個作為一個機會去探究他們這樣做的基本原理。如果他們的基本答案是："我被教著這樣做，但從沒有想到過為什么。"這會給我留下一個壞印象。
第三個方案是用 goto

Loop:
...
goto Loop;

應試者如給出上面的方案，這說明或者他是一個匯編語言程序員（這也許是好事）或者他是一個想進入新領域的BASIC/FORTRAN程序員。

數(shù)據(jù)聲明（Data declarations）

5. 用變量a給出下面的定義
a) 一個整型數(shù)（An integer）
b)一個指向整型數(shù)的指針（ A pointer to an integer）
c)一個指向指針的的指針，它指向的指針是指向一個整型數(shù)（ A pointer to a pointer to an intege）r
d)一個有10個整型數(shù)的數(shù)組（ An array of 10 integers）
e) 一個有10個指針的數(shù)組，該指針是指向一個整型數(shù)的。（An array of 10 pointers to integers）
f) 一個指向有10個整型數(shù)數(shù)組的指針（ A pointer to an array of 10 integers）
g) 一個指向函數(shù)的指針，該函數(shù)有一個整型參數(shù)并返回一個整型數(shù)（A pointer to a function that takes an integer as an argument and returns an integer）
h)一個有10個指針的數(shù)組，該指針指向一個函數(shù)，該函數(shù)有一個整型參數(shù)并返回一個整型數(shù)（ An array of ten pointers to functions that take an integer argument and return an integer ）

答案是：
a) int a; // An integer
b) int *a; // A pointer to an integer
c) int **a; // A pointer to a pointer to an integer
d) int a[10]; // An array of 10 integers
e) int *a[10]; // An array of 10 pointers to integers
f) int (*a)[10]; // A pointer to an array of 10 integers
g) int (*a)(int); // A pointer to a function a that takes an integer argument and returns an integer
h) int (*a[10])(int); // An array of 10 pointers to functions that take an integer argument and return an integer
人們經(jīng)常聲稱這里有幾個問題是那種要翻一下書才能回答的問題，我同意這種說法。當我寫這篇文章時，為了確定語法的正確性，我的確查了一下書。但是當我被面試的時候，我期望被問到這個問題（或者相近的問題）。因為在被面試的這段時間里，我確定我知道這個問題的答案。應試者如果不知道所有的答案（或至少大部分答案），那么也就沒有為這次面試做準備，如果該面試者沒有為這次面試做準備，那么他又能為什么出準備呢？
Static
6. 關鍵字static的作用是什么？
這個簡單的問題很少有人能回答完全。在C語言中，關鍵字static有三個明顯的作用：
&#8226;; 在函數(shù)體，一個被聲明為靜態(tài)的變量在這一函數(shù)被調(diào)用過程中維持其值不變。
&#8226;; 在模塊內(nèi)（但在函數(shù)體外），一個被聲明為靜態(tài)的變量可以被模塊內(nèi)所用函數(shù)訪問，但不能被模塊外其它函數(shù)訪問。它是一個本地的全局變量。
&#8226;; 在模塊內(nèi)，一個被聲明為靜態(tài)的函數(shù)只可被這一模塊內(nèi)的其它函數(shù)調(diào)用。那就是，這個函數(shù)被限制在聲明它的模塊的本地范圍內(nèi)使用。
大多數(shù)應試者能正確回答第一部分，一部分能正確回答第二部分，同是很少的人能懂得第三部分。這是一個應試者的嚴重的缺點，因為他顯然不懂得本地化數(shù)據(jù)和代碼范圍的好處和重要性。

Const

7．關鍵字const有什么含意？
我只要一聽到被面試者說："const意味著常數(shù)"，我就知道我正在和一個業(yè)余者打交道。去年Dan Saks已經(jīng)在他的文章里完全概括了const的所有用法，因此ESP(譯者：Embedded Systems Programming)的每一位讀者應該非常熟悉const能做什么和不能做什么.如果你從沒有讀到那篇文章，只要能說出const意味著"只讀"就可以了。盡管這個答案不是完全的答案，但我接受它作為一個正確的答案。（如果你想知道更詳細的答案，仔細讀一下Saks的文章吧。）
如果應試者能正確回答這個問題，我將問他一個附加的問題：
下面的聲明都是什么意思？

const int a;
int const a;
const int *a;
int * const a;
int const * a const;

/******/
前兩個的作用是一樣，a是一個常整型數(shù)。第三個意味著a是一個指向常整型數(shù)的指針（也就是，整型數(shù)是不可修改的，但指針可以）。第四個意思a是一個指向整型數(shù)的常指針（也就是說，指針指向的整型數(shù)是可以修改的，但指針是不可修改的）。最后一個意味著a是一個指向常整型數(shù)的常指針（也就是說，指針指向的整型數(shù)是不可修改的，同時指針也是不可修改的）。如果應試者能正確回答這些問題，那么他就給我留下了一個好印象。順帶提一句，也許你可能會問，即使不用關鍵字const，也還是能很容易寫出功能正確的程序，那么我為什么還要如此看重關鍵字const呢？我也如下的幾下理由：
&#8226;; 關鍵字const的作用是為給讀你代碼的人傳達非常有用的信息，實際上，聲明一個參數(shù)為常量是為了告訴了用戶這個參數(shù)的應用目的。如果你曾花很多時間清理其它人留下的垃圾，你就會很快學會感謝這點多余的信息。（當然，懂得用const的程序員很少會留下的垃圾讓別人來清理的。）
&#8226;; 通過給優(yōu)化器一些附加的信息，使用關鍵字const也許能產(chǎn)生更緊湊的代碼。
&#8226;; 合理地使用關鍵字const可以使編譯器很自然地保護那些不希望被改變的參數(shù)，防止其被無意的代碼修改。簡而言之，這樣可以減少bug的出現(xiàn)。
Volatile

8. 關鍵字volatile有什么含意?并給出三個不同的例子。
一個定義為volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是，優(yōu)化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。下面是volatile變量的幾個例子：
&#8226;; 并行設備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）
&#8226;; 一個中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
&#8226;; 多線程應用中被幾個任務共享的變量

回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區(qū)分C程序員和嵌入式系統(tǒng)程序員的最基本的問題。搞嵌入式的家伙們經(jīng)常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變量。不懂得volatile的內(nèi)容將會帶來災難。
假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑是否會是這樣），我將稍微深究一下，看一下這家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。
&#8226;; 一個參數(shù)既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什么。
&#8226;; 一個指針可以是volatile 嗎？解釋為什么。
&#8226;; 下面的函數(shù)有什么錯誤：
int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}

下面是答案：
&#8226;; 是的。一個例子是只讀的狀態(tài)寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程序不應該試圖去修改它。
&#8226;; 是的。盡管這并不很常見。一個例子是當一個中服務子程序修該一個指向一個buffer的指針時。
&#8226;; 這段代碼有點變態(tài)。這段代碼的目的是用來返指針*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一個volatile型參數(shù)，編譯器將產(chǎn)生類似下面的代碼：

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該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值！正確的代碼如下：

long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}

位操作（Bit manipulation）

9. 嵌入式系統(tǒng)總是要用戶對變量或寄存器進行位操作。給定一個整型變量a，寫兩段代碼，第一個設置a的bit 3，第二個清除a 的bit 3。在以上兩個操作中，要保持其它位不變。
對這個問題有三種基本的反應
&#8226;; 不知道如何下手。該被面者從沒做過任何嵌入式系統(tǒng)的工作。
&#8226;; 用bit fields。Bit fields是被扔到C語言死角的東西，它保證你的代碼在不同編譯器之間是不可移植的，同時也保證了的你的代碼是不可重用的。我最近不幸看到Infineon為其較復雜的通信芯片寫的驅動程序，它用到了bit fields因此完全對我無用，因為我的編譯器用其它的方式來實現(xiàn)bit fields的。從道德講：永遠不要讓一個非嵌入式的家伙粘實際硬件的邊。
&#8226;; 用 #defines 和 bit masks 操作。這是一個有極高可移植性的方法，是應該被用到的方法。最佳的解決方案如下：

#define BIT3 (0x1 << 3)
static int a;

void set_bit3(void) {
a |= BIT3;
}
void clear_bit3(void) {
a &= ~BIT3;
}

一些人喜歡為設置和清除值而定義一個掩碼同時定義一些說明常數(shù)，這也是可以接受的。我希望看到幾個要點：說明常數(shù)、|=和&=~操作。
訪問固定的內(nèi)存位置（Accessing fixed memory locations）

10. 嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常具有要求程序員去訪問某特定的內(nèi)存位置的特點。在某工程中，要求設置一絕對地址為0x67a9的整型變量的值為0xaa66。編譯器是一個純粹的ANSI編譯器。寫代碼去完成這一任務。
這一問題測試你是否知道為了訪問一絕對地址把一個整型數(shù)強制轉換（typecast）為一指針是合法的。這一問題的實現(xiàn)方式隨著個人風格不同而不同。典型的類似代碼如下：

int *ptr;
ptr = (int *)0x67a9;
*ptr = 0xaa55;

A more obscure approach is:
一個較晦澀的方法是：

*(int * const)(0x67a9) = 0xaa55;

即使你的品味更接近第二種方案，但我建議你在面試時使用第一種方案。

中斷（Interrupts）

11. 中斷是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分，這導致了很多編譯開發(fā)商提供一種擴展—讓標準C支持中斷。具代表事實是，產(chǎn)生了一個新的關鍵字__interrupt。下面的代碼就使用了__interrupt關鍵字去定義了一個中斷服務子程序(ISR)，請評論一下這段代碼的。

__interrupt double compute_area (double radius)
{
double area = PI * radius * radius;
printf("nArea = %f", area);
return area;
}

這個函數(shù)有太多的錯誤了，以至讓人不知從何說起了：
&#8226;; ISR 不能返回一個值。如果你不懂這個，那么你不會被雇用的。
&#8226;; ISR 不能傳遞參數(shù)。如果你沒有看到這一點，你被雇用的機會等同第一項。
&#8226;; 在許多的處理器/編譯器中，浮點一般都是不可重入的。有些處理器/編譯器需要讓額處的寄存器入棧，有些處理器/編譯器就是不允許在ISR中做浮點運算。此外，ISR應該是短而有效率的，在ISR中做浮點運算是不明智的。
&#8226;; 與第三點一脈相承，printf()經(jīng)常有重入和性能上的問題。如果你丟掉了第三和第四點，我不會太為難你的。不用說，如果你能得到后兩點，那么你的被雇用前景越來越光明了。

*****
代碼例子（Code examples）

12 . 下面的代碼輸出是什么，為什么？

void foo(void)
{
unsigned int a = 6;
int b = -20;
(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6");
}
這個問題測試你是否懂得C語言中的整數(shù)自動轉換原則，我發(fā)現(xiàn)有些開發(fā)者懂得極少這些東西。不管如何，這無符號整型問題的答案是輸出是 ">6"。原因是當表達式中存在有符號類型和無符號類型時所有的操作數(shù)都自動轉換為無符號類型。 因此-20變成了一個非常大的正整數(shù)，所以該表達式計算出的結果大于6。這一點對于應當頻繁用到無符號數(shù)據(jù)類型的嵌入式系統(tǒng)來說是豐常重要的。如果你答錯了這個問題，你也就到了得不到這份工作的邊緣。
13. 評價下面的代碼片斷：

unsigned int zero = 0;
unsigned int compzero = 0xFFFF;
/*1's complement of zero */

對于一個int型不是16位的處理器為說，上面的代碼是不正確的。應編寫如下：

unsigned int compzero = ~0;

這一問題真正能揭露出應試者是否懂得處理器字長的重要性。在我的經(jīng)驗里，好的嵌入式程序員非常準確地明白硬件的細節(jié)和它的局限，然而PC機程序往往把硬件作為一個無法避免的煩惱。
到了這個階段，應試者或者完全垂頭喪氣了或者信心滿滿志在必得。如果顯然應試者不是很好，那么這個測試就在這里結束了。但如果顯然應試者做得不錯，那么我就扔出下面的追加問題，這些問題是比較難的，我想僅僅非常優(yōu)秀的應試者能做得不錯。提出這些問題，我希望更多看到應試者應付問題的方法，而不是答案。不管如何，你就當是這個娛樂吧...

動態(tài)內(nèi)存分配（Dynamic memory allocation）
14. 盡管不像非嵌入式計算機那么常見，嵌入式系統(tǒng)還是有從堆（heap）中動態(tài)分配內(nèi)存的過程的。那么嵌入式系統(tǒng)中，動態(tài)分配內(nèi)存可能發(fā)生的問題是什么？
這里，我期望應試者能提到內(nèi)存碎片，碎片收集的問題，變量的持行時間等等。這個主題已經(jīng)在ESP雜志中被廣泛地討論過了（主要是 P.J. Plauger, 他的解釋遠遠超過我這里能提到的任何解釋），所有回過頭看一下這些雜志吧！讓應試者進入一種虛假的安全感覺后，我拿出這么一個小節(jié)目：
下面的代碼片段的輸出是什么，為什么？

char *ptr;
if ((ptr = (char *)malloc(0)) ==
NULL)
else
puts("Got a null pointer");
puts("Got a valid pointer");

這是一個有趣的問題。最近在我的一個同事不經(jīng)意把0值傳給了函數(shù)malloc，得到了一個合法的指針之后，我才想到這個問題。這就是上面的代碼，該代碼的輸出是"Got a valid pointer"。我用這個來開始討論這樣的一問題，看看被面試者是否想到庫例程這樣做是正確。得到正確的答案固然重要，但解決問題的方法和你做決定的基本原理更重要些。
Typedef
:
15 Typedef 在C語言中頻繁用以聲明一個已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)類型的同義字。也可以用預處理器做類似的事。例如，思考一下下面的例子：

#define dPS struct s *
typedef struct s * tPS;

以上兩種情況的意圖都是要定義dPS 和 tPS 作為一個指向結構s指針。哪種方法更好呢？（如果有的話）為什么？
這是一個非常微妙的問題，任何人答對這個問題（正當?shù)脑颍┦菓敱还驳摹４鸢甘牵簍ypedef更好。思考下面的例子：

dPS p1,p2;
tPS p3,p4;

第一個擴展為

struct s * p1, p2;

.
上面的代碼定義p1為一個指向結構的指，p2為一個實際的結構，這也許不是你想要的。第二個例子正確地定義了p3 和p4 兩個指針。

晦澀的語法

16 . C語言同意一些令人震驚的結構,下面的結構是合法的嗎，如果是它做些什么？

int a = 5, b = 7, c;
c = a+++b;

這個問題將做為這個測驗的一個愉快的結尾。不管你相不相信，上面的例子是完全合乎語法的。問題是編譯器如何處理它？水平不高的編譯作者實際上會爭論這個問題，根據(jù)最處理原則，編譯器應當能處理盡可能所有合法的用法。因此，上面的代碼被處理成：

c = a++ + b;

因此, 這段代碼持行后a = 6, b = 7, c = 12。