本帖最后由 香水城 于 2017-8-16 15:12 编辑
跳不出的 while 循环
问题：
该问题由某客户提出，发生在 STM32F103VBT6 器件上。据其工程师讲述：在为 STM32 调试软件过程中，遇到了一个怪现象：有如表（一）所示的一段程序中，KeyIn 是一个全局变量。当有按键按下时，键盘的中断服务程序会将对应的键值放入其中，当按键释放后，键盘中断服务程序则把 RESET 值放入该变量。行（1）的条件语句在主程序中，检测有无按键按下，并处理。行（2）则是等待按键释放。调试时，在行（1）和行（2）处各设置一个断点，然后全速运行程序。当程序停在行（1）时按下按键，继续全速运行程序。当程序停在行（2）时，放开按键，继续全速运行程序。这时，发现程序没有向下执行，而是依然回到并停留在行（2）处。打开观察窗口，观察变量KeyIn 的值，确认其值为 RESET。再次起动全速运行，程序依然回到行（2），而不是向下执行。
调研：
检查其软件工程，确认其所使用的工具链为 IAR Embedded Workbench IDE 5.3，工程设置中的优化等级为 High+Balanced。重复测试，确认现象如其所述。使用反汇编窗口检查编译器生成的指令，如图（一）所示：
从图（一）中得知，由语句 while(KeyIn != RESET) 生成的指令位于地址区间0x800032C-0x8000330，共有 3 条。其中，指令 LDR R1，[R0]负责将变量 KeyIn 的值装载到寄存器 R1 中，指令 CMP R1，#0 对该值进行检测，而跳转指令BNE.N ??main_1 则是实现循环。进一步观察，发现 3 条指令中，只有后两条参与了循环，而指令 LDR 只执行一次，不参与循环。于是可以得出这样的结论：如果在执行该循环语句的第一次循环时变量 KeyIn 的值非 0，那么装载到寄存器 R1 中的值就非 0，于是比较结果为“不相等”,从而进入下一次循环。由于从第二次开始，执行该循环时不更新寄存器 R1 的值，所以无论变量 KeyIn 的取值如何，比较的结果都是“不相等”，都会再次进入下一次循环。于是，一个无休止的循环诞生了。
将工程的优化选项更改为 High+Size，重新编译并观察反汇编结果，如图（二）所示：
这次由语句 while(KeyIn != RESET) 生成的指令变为 4 条，而且在每次循环中都重新向寄存器中装载变量 KeyIn 的值。从实际执行的效果上看，符合源代码所描述的逻辑。
将工程的优化选项改回到 High+Balanced 模式，并修改源程序，将变量 KeyIn 定义成volatile 型变量，如表（二）所示：
重新编译并观察反汇编的结果，如图（三）所示：
这种情况下，语句 while(KeyIn != RESET) 生成的指令为 3 条，但每次循环都重新装载变量 KeyIn 的值到寄存器。测试其执行效果，符合源代码所描述的逻辑。
结论：
通过以上的测试可以得知，该问题是由于编译器对 C 语言代码进行高度的优化时，对某
些语句解析错误造成的。
处理：
将变量 KeyIn 定义成 volatile 型变量，如表（二）所示。
建议：
既然这是一种由编译器的编译错误造成的问题，可否期待新版本的编译器为我们加以改正？非常不幸的是编译器真的很难做到这一点！更不幸的是几乎所有的编译器都有类似的问题！因为，在引用多个变量做循环处理时，如果对每个变量在每次循环中都重新装载，势必大大的降低代码的效率，根本谈不上优化。而编译器又无从分辨出哪些变量有可能发生改变，于是，只好认为只要在本循环中没有对其更改的变量就不会发生变化。所以，不能寄期望于编译器为我们解决这类问题。但这一问题还是要解决的，特别是基于多任务操作系的软件，其中有大量的变量由多个任务共享，如果发生此类问题将导致严重的错误。如何解决？有一个关键的切入点，就是：虽然编译器分辨不出哪些变量有可有发生改变，但是软件的设计者却是知道的。这样，完全可以通过某种方式告诉编译器，哪些变量有可以发生改变，或者通过一些手段迫使编译器对某个变量重新装载。将变量定义成 volatile 型变量，是告知编译器该变量有可以发生改变的一种方法。通常，外设的寄存器都定义成 volatile 型变量，因为这些变量的值有可能被硬件改变。定义成 volatile 型的变量在使用时往往不如普通的变量方便，因为要考虑对其读写的次序问题。比如表（三）所示的程序，编译器在对其编译的时候，会毫不客气的给出的警告：
可以人为的为这些变量设定读写次序，而避免产生相关的警告。如表（四）所示：
从表（四）中可以看出，定义这个次序不是一般的麻烦！那么，对于普通的变量，如何迫使编译器对其重新装载呢？我们可用函数来代替变量。比如，对表（一）所示的程序进行修改，得到表（五）所示的程序:
其中的 GetKeyIn()函数定义在另外一个 C 语言文件中。该函数只有一行语句，就是返回变量 KeyIn 的值。以 High+Balanced优化参数对表（五）的程序进行编译，并观察其反汇编代码，如图（四）：
从图（四）中可以看到 while(GetKeyIn() != RESET) 语句被编译成了 3 条指令。其中，BL GetKeyIn 指令是用来调用函数 GetKeyIn()以取得变量 KeyIn 的值的，而且在每次循环中都对其调用，以重新装载变量 KeyIn 的值。在使用这种方法时，返回变量取值的函数一定要放在另外一个 C 语言文件中才有效。因为编译器进行编译的时候，是对工程中的 C 语言文件逐个进行的。由于被调用的函数不在当前的 C 语言文件中，所以编译器不知道该函数做了哪些事情，只好认为其返回值是有可能改变的，从而每次循环都对其调用，于是我们的目的就达到了。
对应的PDF：跳不出的while 循环
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