微控制器中volatile的應用

Fireflycjd發表於2022-03-01

01、簡述

一個定義為volatile的變數是說這變數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數的值了。精確地說就是，優化器在用到這個變數時必須每次都小心地重新讀取這個變數的值，而不是使用儲存在暫存器裡的備份。

如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能優化讀取和儲存，可能暫時使用暫存器中的值，如果這個變數由別的程式更新了的話，將出現不一致的現象。

簡單來說，如果這變數很重要，且你不想它被編譯器優化，就用volatile修飾。

02、用處

關於編譯器優化

如果你在編譯器器開了優化，那麼就要小心了。以下程式碼使用IAR7.20，優化等級High，選Balanced。main函式的主迴圈如下

  while (1)
  {
    Delay_ms(500);
    LCD_refresh_flg = 0;
    Delay_ms(500);
    if(LCD_refresh_flg){
      LCD_refresh_flg = 0;
      LCD_ShowString(0,13,"receive_data");
    }
  }

其中LCD_refresh_flg變數在串列埠中斷中

void USART1_IRQHandler(void)
{
  if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC))
  {
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);
  }
  if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE))
  {
    LCD_refresh_flg = 1;
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE);
  }
}

其中延時函式如下

/**
  * @brief  Inserts a delay time.
  * @param  nTime: specifies the delay time length, in 10 ms.
  * @retval None
  */
void Delay_ms(uint32_t nTime)
{
  TimingDelay = nTime;

  while(TimingDelay != 0);
}

/**
  * @brief  Decrements the TimingDelay variable.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void TimingDelay_Decrement(void)
{
  if (TimingDelay != 0x00)
  { 
    TimingDelay--;
  }
}
/**
  * @brief  This function handles SysTick Handler.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SysTick_Handler(void)
{
  TimingDelay_Decrement();
}

這是簡單的示例程式碼（為了說明問題，實際專案開發應該沒有類似的程式碼），程式碼設計的意圖是串列埠收到資料，LCD顯示字串。但debug時如下

在單步執行時，第85行程式碼被直接跳過了，且在85行也無法打斷點。檢視反彙編程式碼，確認第85,87,88,89程式碼直接被編譯器優化沒了。

可能編譯器在想，在85行將LCD_refresh_flg變數清零，而86行程式碼量又不大，所以認為87行的if條件不成立，這全部優化掉了。編譯器完全沒有想到我們的延時長達500ms，且在串列埠中斷中會將LCD_refresh_flg置1，這完全違揹我們的設計意圖。

如果我們將LCD_refresh_flg使用volatile修飾，volatileuint8_t LCD_refresh_flg;在編譯器不變，優化等級不變時，執行如下：

雖然編譯器和優化等級都是一樣的，但是這個時候，不再優化LCD_refresh_flg變數。

當然這是編譯優化的結果，並不是說，在main函式的主迴圈的先對變數清零，再後邊判斷變數就會被編譯器優化。如下程式碼，LCD_refresh_flg沒有使用volatile修飾。

此時LCD_ShowString函式是程式碼量很大的函式，這個時候編譯器就不敢輕易優化LCD_refresh_flg變數了。希望大家能從這個例子中理解volatile對編譯優化的影響。

 

關於訪問硬體

儲存器對映的硬體暫存器通常也要加voliate，因為每次對它的讀寫都可能有不同意義。例如：假設要對一個裝置進行初始化，此裝置的某一個暫存器為0xff800000。（例子僅為說明問題，不具有實戰意義）

int *output = (unsigned int *)0xff800000;//定義一個IO埠；
int init(void)
{
  int i;
  for(i=0;i< 10;i++){
    *output = i;
  }
}

經過編譯器優化後，編譯器認為前面迴圈半天都是廢話，對最後的結果毫無影響，因為最終只是將output這個指標賦值為9，所以編譯器最後給你編譯編譯的程式碼結果相當於：

int init(void)
{
    *output =9;
}

這明顯是不符合我們的設計意圖的。

不僅僅是寫操作，讀操作亦是如此。如果你需要反覆讀取一個暫存器的值，那麼編譯器在優化只有讀取1次。這時候就該使用volatile通知編譯器在遇到此變數時候不要優化。在這裡多說一句，我們這裡說的是編譯器，且是嵌入式方面的，不同的編譯器會有不同結果，所以上面的例子並非是在不同的編譯器必現的。但是在嵌入式領域反覆訪問硬體暫存器，加上volatile是有必要的。

 

中斷服務程式

在斷服務程式中修改的供其它程式檢測的變數，需要加volatile，中斷是會突然發生的，當變數在觸發某中斷程式中修改，而編譯器判斷主函式裡面沒有修改該變數，因此可能只執行一次從記憶體到某暫存器的讀操作，而後每次只會從該暫存器中讀取變數副本，使得中斷程式的操作被短路。加上volatile修飾，核心每次都會小心的從該變數儲存的記憶體中重新讀取資料，而不是從已經載入到核心暫存器中的值。

 

RTOS系統下需要注意

這個問題本質上和上一個是一樣的，都是為了防止核心從暫存器中讀取變數的值，而不是從變數儲存的記憶體讀取。特別是具有搶佔屬性的RTOS，本質上也是中斷時，緊急的任務立即打斷了正在執行的任務，“類似”於中斷。如果有同學瞭解RTOS的話，可以想一下RTOS的臨界區的概念，都是為了保護變數。這裡不再對RTOS進行詳述。如果有同學瞭解Linux的話，那就更好了，volatile的作用和linux的原子操作是差不過的。這裡也不再詳述，只是發散一下思維。

 

3、volatile問題

volatile在面試中是非常容易見到的，下面總結一下常見的

1.一個引數既可以是const還可以是volatile嗎？

可以的，例如只讀的狀態暫存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。

2.一個指標可以是volatile嗎？

可以，當一箇中服務子程式修改一個指向buffer的指標時。

3.下面的函式有什麼錯誤？

int square(volatile int*ptr)
{
    return*ptr * *ptr;
}

該程式的目的是用來返指標*ptr指向值的平方，但是，由於*ptr指向一個volatile型引數，編譯器將產生類似下面的程式碼：

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

由於*ptr的值可能被意想不到地改變，因此a和b可能是不同的。結果，這段程式碼可能返回不是你所期望的平方值！正確的程式碼如下：

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

注意：頻繁地使用volatile很可能會增加可執行檔案的大小和降低效能，因此要合理的使用volatile，不能濫用volatile。

4、總結

volatile 關鍵字是一種型別修飾符，它的總結如下

  1. 使用volatile關鍵字修飾的變數，可以避免編譯器優化，遇到這個關鍵字宣告的變數，編譯器對訪問該變數的程式碼就不再進行優化，從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。
  2. 使用volatile關鍵字修飾的變數，每次都是重新讀取記憶體中的值，而不是使用儲存在暫存器裡的值了；在中斷，RTOS，硬體訪問多用到。
  3. 頻繁地使用volatile很可能會增加可執行檔案的大小和降低效能，因此要合理的使用volatile，不能濫用volatile。

嵌入式系統程式設計師經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，這是區分C程式設計師和嵌入式系統程式設計師的最基本的問題，所以在嵌入式應用中這些要求使用volatile變數。不懂得volatile的話可能將會帶來災難。

 

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