单片机volatile关键字的作用?

最近我们无际单片机学员在做stm8和stm32项目的时候,问volatile这个关键词怎么理解?有什么作用?

Volatile是C语言的一个关键字,在stm8和stm32的固件库里也会经常看见这个关键字的使用。

如果真的想理解透彻,可能要追溯到编译器优化机制cpu访问变量的原理。

这个可能需要花很多时间去研究,并不是很划算,我一直强调学习也要把控好投产比,也就是你投入研究的时间要和回报成正比。

很明显,对于一个开发者来说并不需要深入研究编译器优化代码的机制,至少我这么多年没深入研究过,也不影响我做产品。

很熟悉和只了解,同样都能实现功能,所花的时间成本却是天差地别的。

所以,我们只需要知道有编译器优化的概念,和cpu访问变量的原理就够了。

重点是记住volatile这个关键词的使用场景,什么时候必须要用!

 

一.CPU访问变量

1.给变量赋值

 

我们看上图代码。

代码第一行定义了一个全局变量a,第6行把a赋值为1。

程序在执行的时候,首先会把1这个值赋值给cpu的寄存器里(比如R0-R7),然后再把寄存器里面这个1赋值到&a这个内存地址里。

 

这是给变量赋值的过程。

 

2.读变量的值

代码第一行定义了两个全局变量a和b,第12行把变量a的值赋值给b。

程序在执行的时候,会先把a这个内存地址的值(也就是1)取出来先存到寄存器里,然后再把寄存器里的值存储到变量b的内存地址里。

这是读取变量值的过程。

 

二.编译器优化

1.上面程序执行过程有什么缺点?

我们可以再看一下上面那个代码,是不是觉得程序执行过程中第16行(&a内存地址->寄存器)的操作有点多余?

因为a的值已经存在寄存器里了,直接把寄存器的值存到变量b的内存地址里不就行了?

为什么还要重新从a的内存地址里重新取值到寄存器?有种脱裤子放屁的感觉对吧?

 

 

2.为什么要优化?

你能想到的,大聪明编译器肯定也能想到。

一般访问寄存器要比访问内存(RAM)的效率高。

所以,编译器也是基于这些规律特点,对我们写好的代码进行优化。

我们常用的开发工具Keil可以对优化等级进行设置,比如说Keil这个开发工具可以设置优化等级。

具体这几个优化等级有啥区别,大家可以自行百度下。

经过编译器代码优化以后,为了执行效率更高,执行这段程序的流程就会被优化。

最终程序执行可能就直接把寄存器的值赋值给变量b这个内存地址了,而不是重新从变量a的内存地址里读取到寄存器,这样效率就提高了。

编译器优化原则之一:减少对内存访问的次数,因为从内存里读写数据效率比较低。

 

三.volatile到底有什么用?用在什么场合?

如果这样被优化掉,会不会出现问题?哪些情况下会出现问题?

答案是有可能会,比如以下几种情况:

1.在执行b=a之前,发生中断,中断里把a的值改了

假设程序执行到第12行,发生了一个定时器4中断,中断里a=2了。

这个时候b=a,大家猜结果等于多少?是不是还是等于1?

而实际上a=2了,这个时候程序就会产生一些不可预知的错误。

所以,如果你有全局变量,会在中断里去改变它的值,最好用volatile关键字修饰下。

 

2.带RTOS的情况下

相信大家都知道,实时操作系统任务之间是可以根据任务优先级打断的。

如上图,假设Task2任务优先级比Task1优先级高,说明Task2是可以随时打断Task1的。

假设Task1执行到12行,Task2任务就绪开始执行了,然后把a=2,执行完又回到Task1的第14行继续执行,这样b=a,大家猜猜结果等于多少?是不是还是等于1?

实际上a=2了,这个时候程序也会产生一些不可预知的错误。

所以,如果你程序加了RTOS,并且多个任务共享一个全局变量时,最好也用volatile关键词修饰下。

 

3.变量读取单片机寄存器值时

USART1->DR是STM32单片机串口1的数据寄存器,当有串口数据发送和接收的时候,数据都会在这个寄存器里。

USART1->DR里面的数据可能会一直会变化的。

假设cpu执行到上图程序第9-13行时,USART1->DR发生改变,那a和b的值肯定也不相等。

所以,如果你有变量是读取寄存器的值,最好也用volatile关键词修饰下。

 

四.最后总结

简单来说,volatile就是告诉编译器编译时不要过渡优化,以便告诉cpu,当你执行到这个变量的时候,记得重新从内存里去读,以保证读出来的值是最新的。

 

一般以下使用场景需要用:

1.中断里会改变全局变量的值

2.多任务共享同一全局变量

3.变量读单片机寄存器值

 

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