嵌入式C语音基础夯实备用实战-1

只看该作者 · 2020-11-3 19:36

本帖最后由 HomeByte 于 2020-11-3 19:38 编辑

C语言虽然是基础，但实际上是要求学者已经具备入门的能力，然后通过本章节将C语言里面几个比较重要的板块进行加深；如果学者对C语言并不了解，建议先通过网上搜索入门教程学习后再进入本章节。

1.数据类型1.1 类型定义

C语言标准中，常用的类型如下表格：

类型	存储大小	取值范围
signed char	1 字节(Byte)，8bits	-128 到 127
unsigned char	1 字节，8bits	0 到 255
short	2 字节，16bits	-32,768 到 32,767
unsigned short	2 字节，16bits	0 到 65,535
int	2/4 字节，16/32bits	-32,768 到 32,767 或 -2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned int	2/4 字节，16/32bits	0 到 65,535 或 0 到 4,294,967,295
long	4 字节，32bits	-2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned long	4 字节，32bits	0 到 4,294,967,295
float	4 字节，32bits	1.2E-38 到 3.4E+38
double	8 字节，64bits	2.3E-308 到 1.7E+308
bool	忽略	true/false

然而在正常开发过程中，由于平台（主控芯片类型）不同，会导致我们使用的变量有位数的差异，比如表中的int在不同位(16位/32位)机的表现不同，因此我们需要一个抽象定义来解决这个跨平台问题：

实际使用类型	存储大小	打印符号
int8_t	1 字节(Byte)，8bits	%d
uint8_t	1 字节，8bits	%u或%c或%x（16进制小写，%X大写）
int16_t	2 字节，16bits	%d
uint16_t	2 字节，16bits	%u或%x
int32_t	4 字节，32bits	32位机器%ld，64位机器%d
uint32_t	4 字节，32bits	32位机器%lu，64位机器%u或%x
int64_t	8 字节，64bits	32位机器%lld，64位机器%ld
uint64_t	8 字节，64bits	32位机器%llu，64位机器%lu
float	4 字节，32bits	%f
double	8 字节，64bits	%lf
bool	忽略	%d或%s

这个抽象定义在Linux标准头文件已经实现，我们只需要在开发时包含一下头文件即可：#include <stdint.h>，

bool类型需要包含另外一个头文件：#include <stdbool.h>

1.2 类型格式化

在上一章节中我们理解了类型占用的空间，还有输出格式，但还是存在一些困惑的地方，这里做一些解释，首先是格式输出(比如使用printf打印)，我们必须要解决一个不同位数机器的兼容问题，在我们的Ubuntu Server中可以找到一个目录：~/workspace/basics/c/3_1_typedef，该目录里面的源码对应本章内容，如下：

1.2.1包含标准头文件：

说明：定义__cplusplus说明是c++的编译器进行编译，c++原生支持bool类型，因此可以忽略该头文件，不然会有编译告警。

1.2.2 定义变量：

1.2.3 printf格式化输出：

说明：

#if defined(__x86_64__) || defined(__aarch64__) || defined(__arm64__)

这段宏定义是在区分代码是在64位机器上还是32位机器，不同位数的打印输出是不一样的，我们的Ubuntu Server是64位机器的；如果没有这段宏，代码会出莫名其妙的运行时问题，而且是令人百思不得其解的现象。

1.2.4 编译及运行：

注意，嵌入式的开发过程不要使用微软的工具（比如VS）来编译或者运行，不然你的代码会有一堆冗余的代码去将就WIN32和微软编译内核版本的问题，比如上述例子中的bool类型，如果使用旧的微软编译器(低于Visual Studio 2013的版本)，一定会出现编译不通过的问题，而我们需要做一个修改来将就这个编译内核的问题：

这种兼容在嵌入式开发是绝对的败笔，除非你的软件是开源软件，需要考虑各方的使用，如果是企业产品的开发，不建议使用微软的编译工具。

目前我们暂不考虑编译到开发板上运行，先通过gcc来编译测试：

这段代码可以在任何基于Linux平台（包括安卓）中被无缝移植，而且编译无任何警告和错误，运行也不会出现奇怪的问题。

这种格式化也经常被用来通过sprintf把数值格式化为字符串，比如：

1.3 变量1.3.1 可执行程序存储区

当一个C/C++原码文件被编译链（比如gcc/g++）编译及链接成为可执行程序后，由4个段组成，分别是：代码段，数据段，栈，堆。

代码段(.text)包含代码逻辑（函数），以及宏定义(#define)常量。

数据段包含3部分：.bss，.rodata，.data。

.bss： Block Started by Symbol，存放程序中未初始化的全局变量。

.rodata：read only data，用于存放不可变修改的常量数据。

.data：静态变量和已初始化的全局变量存储区。

栈(.stack)主要用来存放局部变量, 传递的参数, 存放函数的返回地址；程序运行过程中动态生成及回收，不需要用户回收存储空间。

堆(.heap)由malloc等API动态分配的内存区域，其生命周期由free决定；程序运行过程中动态生成，需要由使用者自行回收。

了解程序的组成存储区有利于开发过程中对程序的精简，比如我们可以选择变量内容及大小是直接编译进可执行程序（ROM）中，还是程序运行过程中才被实例化（RAM）；如果代码量10W+行基本能很明显的出现差异，同样功能有的代码编译出来占用空间非常大，有的很精简，其中一个原因就是对底层存储分区的理解不同。

在我们Ubuntu Server目录：~/workspace/basics/c/3_2_variables，存放着本章节我们会用到的源代码文件；其中main_1.c的内容是针对变量/函数的分区存储结构做了描述：

我们尝试保留及注释掉.data里面的一个存储空间，对比两者编译后程序的大小。

差别巨大：

1.4 动态类型

本节内容源码在点击：~/workspace/basics/c/3_2_variables/main_2.c中，主要讲解C语言中的动态类型变量定义的方法，需要使用到的关键字是：typeof()，该关键字是GNU C提供的一种特性，可以用来取得变量/函数的类型，或者表达式的类型。常用的方式如下：

a. 取得变量类型。

定义一个变量，可以是普通变量也可以是指针变量，然后typeof取得该变量类型并用于定义另外同类型的变量；比如图中所示的value。

b. 取得函数类型做函数指针。

主要用来取得函数的类型，并定义函数指针使用，图中所示的指针func就是取着函数add类型定义的。

c. 取得表达式类型做处理。

取得表达式相对较为复杂，图中所示，我们将函数add的运算结果导出来用于判断；该技巧同样可以用于函数调用失败后的多次重试。

编译运行如下：

1.5 类型转换

在C语言中，进行类型之间的转换有两种转换方式：隐式类型转换和强制类型转换。其中强制类型转换是由开发人员完成的，比如float val = (float)u8;

一般不会出现问题，所以我们重点关心隐式类型转换。

隐式类型转换是由编译器主动完成的，如果由低类型到高类型的隐式类型转换是安全的，不会发生截断；相反由高类型到低类型的隐式类型转换是不安全的，会发生截断产生不正确的结果：

四种情况下会发生隐式类型转换：赋值，算术运算，函数传参，函数返回值。

在源码文件：main_3.c中，我们列出了四种情况的例子：

a. 赋值。

图中我们定义的类型uint8_t u8，并赋值为250；同时定义int8_t i8，然后把u8赋值给i8，显然这个过程出现类型不匹配的转换，由于250已经超过i8的最大范围，因此i8不在是数值250了。

b. 算术运算。

两个uint8_t类型相加，赋值给uint16_t，实际上编译器在执行该条指令时，会把两个uint8_t先转换为uint16_t，所以图中：

uint16_t both = cal_1 + cal_2; 等价于：

uint16_t both = (uint16_t)cal_1 + (uint16_t)cal_2;

隐式类型转换后数据正确。

c. 函数传参。

函数add的参数类型都是int8_t，而我们传入的200已经超过最大范围，因此传入的数据发生大类型到小类型的转换；同时函数返回值是int8_t，两个超过范围的int8_t相加得不到200+200=400的数值，如果相加也出现溢出，那么返回值更加不可测了。

d. 函数返回值。

函数add2的参数和返回值都是uint16_t，我们传入的两个uint8_t被转换为uint16_t，运算结果数值也是uint16_t，因此返回数值正确。

编译运行：

在编写程序的过程中，我们需要留意可能存在隐式类型转换的地方，避免由于数据类型转换导致的结果不可预测。

1.6 指针

本章内容的源码在目录点击：~/workspace/basics/c/3_3_pointer 中。

1.6.1 指针与堆

堆常见的操作函数有以下几个：

void *malloc(size_t size) : 从堆中申请内存空间。

void *calloc(size_t nmemb, size_t size) : 从堆中申请内存空间并清零。

void *realloc(void *ptr, size_t size) : 调整已从堆中申请到的内存大小。

void free(void *ptr) : 释放从堆中申请到的内存空间。

以上的API需要包含头文件： #include <stdlib.h>

void *memset(void *s, int c, size_t n) : 给内存空间格式化为指定值。

void bzero(void *s, size_t n) : 给内存空间清零。

以上的API需要包含头文件： #include <string.h>

a. malloc以及内存清零。

malloc返回值非NULL时表示成功，程序中没有做这个判断，出于严谨考虑大家在调用时最好做下判断；同时除非申请的空间极其巨大或者有内存泄漏，不然基本不会出现失败的情况。清零的方式有两种，可以使用memset，也可以使用bzero，建议使用bzero直观一点。

b. realloc。

该函数使用时需要注意，失败时会返回NULL，且先前分配的堆内存空间是不会被回收的，因此我们在调用该函数之前需要备份一下已申请的内存空间地址，这样申请失败的话还可以找回之前的数据；同时需要注意的是，重新申请成功后多出来的那部分内存空间有可能是没有被清零的，需要我们手动调用bzero进行清零。

c. 释放内存。

所有从堆中成功申请到内存空间，都需要通过free函数进行手动回收，不然会造成内存泄漏。

d. 内存拷贝。

从一片内存拷贝数据到另外一片内存可以使用函数：memcpy，比如：

把content栈空间内容（hello world!）拷贝到堆中（pa）。

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