对volatile关键字在DSP中的理解

2万 · 2015-6-14 20:57

DSP将寄存器变量都映射到相应的寄存器地址，因此经常会见到这样声明的语句：

volatile struct EPWM_REGS *ePWM[PWM_CH] =
{ &EPwm1Regs, &EPwm1Regs, &EPwm2Regs, &EPwm3Regs, &EPwm4Regs};

那么，为什么需要volatile 这个关键字呢？

该单词的意思是可变的，易变的。在DSP中，一些寄存器的值的变化有两种情况：（1）硬件上导致的变化，例如中断、ADC等；（2）软件上的变化，例如对某个变量赋值等。
当加入了关键字volatile，则表示该变量的值可因上述两种情况而发生变化；即，对软件来说，硬件上变化的值是不可预知的，加入了该关键字，提示编译器每次读取该变量时，都要直接读取该变量地址中的寄存器！

2万 · 2015-6-14 20:59

volatile作用
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：
1). 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）
2). 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)
3). 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。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile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，怀疑这否会是这样），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。
1). 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。
2). 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。
3). 下面的函数有什么错误：
      int square(volatile int *ptr)
      {
            return *ptr * *ptr;
      }
下面是答案：
1). 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。
2). 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。
3). 这段代码的有个恶作剧。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;
   }
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volatile的本意是“易变的”
由于访问寄存器的速度要快过RAM，所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如：
static int i=0;
int main(void)
{
...
while (1)
{
if (i) dosomething();
}
}

void ISR_2(void)
{
i=1;
}
程序的本意是希望ISR_2中断产生时，在main当中调用dosomething函数，但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此
可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致dosomething永远也不会被
调用。如果将将变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化（肯定执行）。此例中i也应该如此说明。
一般说来，volatile用在如下的几个地方：
1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义；
另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实
现，2中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。
volatile 的含义
volatile总是与优化有关，编译器有一种技术叫做数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效，分析结果可以用于常量合并，常量传播等优化，进一步可以死代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的，这时可以用volatile关键字禁止做这些优化，volatile的字面含义是易变的，它有下面的作用：
1 不会在两个***作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下，变量可能被其他的程序改变，编译器自己无法知道，volatile就是告诉编译器这种情况。
2 不做常量合并、常量传播等优化，所以像下面的代码：
volatile int i = 1;
if (i > 0) ...
if的条件不会当作无条件真。
3 对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到，编译器常常可以省略那个赋值***作，然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。
前面有人说volatile可以保证对内存操作的原子性，这种说法不大准确，其一，x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性，其二，RISC根本不能对内存直接运算，要保证原子性得用别的方法，如atomic_inc。
对于jiffies，它已经声明为volatile变量，我认为直接用jiffies++就可以了，没必要用那种复杂的形式，因为那样也不能保证原子性。
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关键在于两个地方：

1. 编译器的优化  (请高手帮我看看下面的理解)
在本次线程内, 当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值；
当变量值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致
当变量在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
当该寄存器在因别的线程等而改变了值，原变量的值不会改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
举一个不太准确的例子：
发薪资时，会计每次都把员工叫来登记他们的银**号；一次会计为了省事，没有即时登记，用了以前登记的银**号；刚好一个员工的银**丢了，已挂失该银**号；从而造成该员工领不到工资
员工－－原始变量地址
银**号－－原始变量在寄存器的备份
2. 在什么情况下会出现(如1楼所说)
1). 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）
2). 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)
3). 多线程应用中被几个任务共享的变量

补充： volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适，“易变的”这种解释简直有点误导人；
“易变”是因为外在因素引起的，象多线程，中断等，并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化；
而用volatile定义之后，其实这个变量就不会因外因而变化了，可以放心使用了；大家看看前面那种解释（易变的）是不是在误导人

另外补充volatile在DSP中的理解：
该单词的意思是可变的，易变的。在DSP中，一些寄存器的值的变化有两种情况：（1）硬件上导致的变化，例如中断、ADC等；（2）软件上的变化，例如对某个变量赋值等。
当加入了关键字volatile，则表示该变量的值可因上述两种情况而发生变化；即，对软件来说，硬件上变化的值是不可预知的，加入了该关键字，提示编译器每次读取该变量时，都要直接读取该变量地址中的寄存器，保证了数据的正确性。

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