C语言与嵌入式系统编程精粹

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"这篇资料是关于C语言的学习总结，特别适合想要深入理解C语言和嵌入式系统编程的读者。内容涵盖了C/C++语言的多个核心主题，包括struct的深层探索、extern"C"的含义、高效编程技巧、嵌入式程序员必备知识、内存管理、屏幕和键盘操作、性能优化、void及void指针、可变参数表、数组与指针的区别、面试题剖析、结构体的位数指定、不同类型的指针、联合体（union）的使用，以及基于ARM的嵌入式Linux移植实践经验。此外，还深入讲解了Linux设备驱动编程，如内核模块、字符设备驱动、并发控制和阻塞/非阻塞操作。" 在C语言中，struct是一个非常关键的构造，它允许开发者自定义复杂的数据类型，将不同类型的数据组合成一个整体，这对于构建网络协议、通信控制和嵌入式系统尤为重要。理解struct的使用不仅可以提高代码的可读性和组织性，还能体现开发者对数据结构的掌握程度。 extern"C"在C++中用于解决C++的名称修饰问题，确保C++代码能够正确链接到C编译的函数和全局变量，保持跨语言兼容性。C++中的函数和变量名会被编译器进行名称修饰，而C语言不进行这种修饰，因此在C++项目中调用C函数时需要extern"C"来声明。 C语言高效编程涉及内存管理、算法优化等多个方面。例如，掌握何时使用动态内存分配、如何避免内存泄漏，以及如何通过位操作等技术优化性能，都是提升代码效率的关键。嵌入式系统编程修炼则重点关注硬件交互，如屏幕和键盘操作，以及性能优化。这部分内容有助于开发者了解如何直接与硬件接口，进行底层操作，同时学会如何在资源有限的环境中编写高效的代码。 Linux设备驱动编程是嵌入式系统开发的重要部分，包括内核模块、字符设备驱动、并发控制等。内核模块允许动态加载和卸载代码，字符设备驱动则是驱动程序的基础形式，处理设备的读写操作。并发控制确保多线程或中断处理时的数据一致性，而阻塞与非阻塞操作则影响着程序的响应速度和资源利用率。整个资料集不仅适合初学者，也适合有经验的开发者进行深入学习和复习，提供了丰富的实践案例和面试题解析，帮助读者巩固理论知识并提升实际技能。

这个问题用几个解决方案。我首选的方案是：

while(1)

{

一些程序员更喜欢如下方案：

for(;;)

{

这个实现方式让我为难，因为这个语法没有确切表达到底怎么回事。如果一个应试者给出这个作为方案，我将用这个作为一个机会去探究他们

这样做的基本原理。如果他们的基本答案是："我被教着这样做，但从没有想到过为什么。"这会给我留下一个坏印象。

第三个方案是用 goto

Loop:

...

goto Loop;

应试者如给出上面的方案，这说明或者他是一个汇编语言程序员（这也许是好事）或者他是一个想进入新领域的 BASIC/FORTRAN 程序员。

数据声明（Data declarations）

5. 用变量 a 给出下面的定义

a) 一个整型数（An integer）

b)一个指向整型数的指针（ A pointer to an integer）

c)一个指向指针的的指针，它指向的指针是指向一个整型数（ A pointer to a pointer to an intege）r

d)一个有 10 个整型数的数组（ An array of 10 integers）

e) 一个有 10 个指针的数组，该指针是指向一个整型数的。（An array of 10 pointers to integers）

f) 一个指向有 10 个整型数数组的指针（ A pointer to an array of 10 integers）

g) 一个指向函数的指针，该函数有一个整型参数并返回一个整型数（A pointer to a function that takes an integer as an argument

and returns an integer）

h)一个有 10 个指针的数组，该指针指向一个函数，该函数有一个整型参数并返回一个整型数（ An array of ten pointers to functions t

hat 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

人们经常声称这里有几个问题是那种要翻一下书才能回答的问题，我同意这种说法。当我写这篇文章时，为了确定语法的正确性，我的确查了

一下书。但是当我被面试的时候，我期望被问到这个问题（或者相近的问题）。因为在被面试的这段时间里，我确定我知道这个问题的答案。

应试者如果不知道所有的答案（或至少大部分答案），那么也就没有为这次面试做准备，如果该面试者没有为这次面试做准备，那么他又能为

什么出准备呢？

Static

6. 关键字 static 的作用是什么？

这个简单的问题很少有人能回答完全。在 C 语言中，关键字 static 有三个明显的作用：

•; 在函数体，一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。

•; 在模块内（但在函数体外），一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问，但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变

量。

•; 在模块内，一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是，这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。

大多数应试者能正确回答第一部分，一部分能正确回答第二部分，同是很少的人能懂得第三部分。这是一个应试者的严重的缺点，因为他显然

不懂得本地化数据和代码范围的好处和重要性。

Const

7．关键字 const 有什么含意？

我只要一听到被面试者说："const 意味着常数"，我就知道我正在和一个业余者打交道。去年 Dan Saks 已经在他的文章里完全概括了 const

的所有用法，因此 ESP(译者：Embedded Systems Programming)的每一位读者应该非常熟悉 const 能做什么和不能做什么.如果你从没有

读到那篇文章，只要能说出 const 意味着"只读"就可以了。尽管这个答案不是完全的答案，但我接受它作为一个正确的答案。（如果你想知道

更详细的答案，仔细读一下 Saks 的文章吧。）

如果应试者能正确回答这个问题，我将问他一个附加的问题：

下面的声明都是什么意思？

const int a;

int const a;

const int *a;

int * const a;

int const * a const;

/******/

前两个的作用是一样，a 是一个常整型数。第三个意味着 a 是一个指向常整型数的指针（也就是，整型数是不可修改的，但指针可以）。第四个

意思 a 是一个指向整型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是可以修改的，但指针是不可修改的）。最后一个意味着 a 是一个指向常整

型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是不可修改的，同时指针也是不可修改的）。如果应试者能正确回答这些问题，那么他就给我留

下了一个好印象。顺带提一句，也许你可能会问，即使不用关键字 const，也还是能很容易写出功能正确的程序，那么我为什么还要如此看重关

键字 const 呢？我也如下的几下理由：

•; 关键字 const 的作用是为给读你代码的人传达非常有用的信息，实际上，声明一个参数为常量是为了告诉了用户这个参数的应用目的。如果

你曾花很多时间清理其它人留下的垃圾，你就会很快学会感谢这点多余的信息。（当然，懂得用 const 的程序员很少会留下的垃圾让别人来清

理的。）

•; 通过给优化器一些附加的信息，使用关键字 const 也许能产生更紧凑的代码。

•;

合理地使用关键字 const 可以使编译器很自然地保护那些不希望被改变的参数，防止其被无意的代码修改。简而言之，这样可以减少 bug

的出现。

Volatile

8. 关键字 volatile 有什么含意?并给出三个不同的例子。

一个定义为 volatile 的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到

这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是 volatile 变量的几个例子：

•; 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

回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分 C 程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、

RTOS 等等打交道，所有这些都要求用到 volatile 变量。不懂得 volatile 的内容将会带来灾难。

假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑是否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是直正懂得 volatile 完全的重要性。

•; 一个参数既可以是 const 还可以是 volatile 吗？解释为什么。

•; 一个指针可以是 volatile 吗？解释为什么。

•; 下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr)

{

return *ptr * *ptr;

}

下面是答案：

•; 是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是 volatile 因为它可能被意想不到地改变。它是 const 因为程序不应该试图去修改它。

•; 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个 buffer 的指针时。

•; 这段代码有点变态。这段代码的目的是用来返指针*ptr 指向值的平方，但是，由于*ptr 指向一个 volatile 型参数，编译器将产生类似下面

的代码：

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该变，因此 a 和 b 可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：

long square(volatile int *ptr)

{

int a;

a = *ptr;

return a * a;

}

位操作（Bit manipulation）

9. 嵌入式系统总是要用户对变量或寄存器进行位操作。给定一个整型变量 a，写两段代码，第一个设置 a 的 bit 3，第二个清除 a 的 bit 3。

在以上两个操作中，要保持其它位不变。

对这个问题有三种基本的反应

•; 不知道如何下手。该被面者从没做过任何嵌入式系统的工作。

•; 用 bit fields。Bit fields 是被扔到 C 语言死角的东西，它保证你的代码在不同编译器之间是不可移植的，同时也保证了的你的代码是不可

重用的。我最近不幸看到 Infineon 为其较复杂的通信芯片写的驱动程序，它用到了 bit fields 因此完全对我无用，因为我的编译器用其它的方

式来实现 bit fields 的。从道德讲：永远不要让一个非嵌入式的家伙粘实际硬件的边。

•; 用 #defines 和 bit masks 操作。这是一个有极高可移植性的方法，是应该被用到的方法。最佳的解决方案如下：

#define BIT3 (0x1 << 3)

static int a;

void set_bit3(void) {

a |= BIT3;

}

void clear_bit3(void) {

a &= ~BIT3;

}

一些人喜欢为设置和清除值而定义一个掩码同时定义一些说明常数，这也是可以接受的。我希望看到几个要点：说明常数、|=和&=~操作。

访问固定的内存位置（Accessing fixed memory locations）

10. 嵌入式系统经常具有要求程序员去访问某特定的内存位置的特点。在某工程中，要求设置一绝对地址为 0x67a9 的整型变量的值为 0xaa6

6。编译器是一个纯粹的 ANSI 编译器。写代码去完成这一任务。

这一问题测试你是否知道为了访问一绝对地址把一个整型数强制转换（typecast）为一指针是合法的。这一问题的实现方式随着个人风格不同

而不同。典型的类似代码如下：

int *ptr;

ptr = (int *)0x67a9;

*ptr = 0xaa55;

A more obscure approach is:

一个较晦涩的方法是：

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

即使你的品味更接近第二种方案，但我建议你在面试时使用第一种方案。

中断（Interrupts）

11. 中断是嵌入式系统中重要的组成部分，这导致了很多编译开发商提供一种扩展―让标准 C 支持中断。具代表事实是，产生了一个新的关键

字__interrupt。下面的代码就使用了__interrupt 关键字去定义了一个中断服务子程序(ISR)，请评论一下这段代码的。

__interrupt double compute_area (double radius)

{

double area = PI * radius * radius;

printf("\nArea = %f", area);

return area;

}

这个函数有太多的错误了，以至让人不知从何说起了：

•; ISR 不能返回一个值。如果你不懂这个，那么你不会被雇用的。

•; ISR 不能传递参数。如果你没有看到这一点，你被雇用的机会等同第一项。

•; 在许多的处理器/编译器中，浮点一般都是不可重入的。有些处理器/编译器需要让额处的寄存器入栈，有些处理器/编译器就是不允许在 IS

R 中做浮点运算。此外，ISR 应该是短而有效率的，在 ISR 中做浮点运算是不明智的。

•; 与第三点一脉相承，printf()经常有重入和性能上的问题。如果你丢掉了第三和第四点，我不会太为难你的。不用说，如果你能得到后两点，

那么你的被雇用前景越来越光明了。

*****

代码例子（Code examples）

12 . 下面的代码输出是什么，为什么？

void foo(void)

{

unsigned int a = 6;

int b = -20;

(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6");

}

这个问题测试你是否懂得 C 语言中的整数自动转换原则，我发现有些开发者懂得极少这些东西。不管如何，这无符号整型问题的答案是输出是

">6"。原因是当表达式中存在有符号类型和无符号类型时所有的操作数都自动转换为无符号类型。因此-20 变成了一个非常大的正整数，所以

该表达式计算出的结果大于 6。这一点对于应当频繁用到无符号数据类型的嵌入式系统来说是丰常重要的。如果你答错了这个问题，你也就到了

得不到这份工作的边缘。

13. 评价下面的代码片断：

unsigned int zero = 0;

unsigned int compzero = 0xFFFF;

/*1's complement of zero */

对于一个 int 型不是 16 位的处理器为说，上面的代码是不正确的。应编写如下：

unsigned int compzero = ~0;

这一问题真正能揭露出应试者是否懂得处理器字长的重要性。在我的经验里，好的嵌入式程序员非常准确地明白硬件的细节和它的局限，然而 P

C 机程序往往把硬件作为一个无法避免的烦恼。

到了这个阶段，应试者或者完全垂头丧气了或者信心满满志在必得。如果显然应试者不是很好，那么这个测试就在这里结束了。但如果显然应

试者做得不错，那么我就扔出下面的追加问题，这些问题是比较难的，我想仅仅非常优秀的应试者能做得不错。提出这些问题，我希望更多看

到应试者应付问题的方法，而不是答案。不管如何，你就当是这个娱乐吧...

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