【嵌入式】C语言中volatile关键字

00. 目录

01. volatile概述

volatile是C语言中的一个关键字。将变量定义为volatile就表示告诉编译器这个变量可能会被竟想不到地改变，在这种情况下，编译器就不会去假设这个变量的值了，及优化器在用到这个变量是必须每次重新读取他的值。

02. volatile应用场景

在程序中，volatile变量常用于以下几种情况:

• 并行设备的硬件寄存器(例如：状态寄存器)
• 在中断服务子程序中会访问到的非自动变量(即全局变量)
• 多线程应用中被几个任务共享的变量

对于一般变量，其存储的位置是在内存中，但也有可能存储在处理器的寄存器中。在程序中，只要寄存器的内容没有被更改，对变量访问就不需要访问内存，只需要直接使用寄存器的变量。

例如：在程序中可以按照以下的形式定义volatile变量：

void test()
{
    volatile char temp;
}

当变量temp被定义成volatile类型的时候，它就不会被编译器优化，在每次访问temp变量的时候都将重新在内存中读取它的值。

事实上，在编译器的优化中，类似temp这种建立在函数栈上的变量是不太可能被外部更改的。在程序中，一般容易被更改的变量是指针指向的内容。

03. volatile应用示例

C语言编译器一般都有优化的功能，对代码进行优化。例如:

int tmp, a1, a2;
tmp = (unsigned int *)0x4004;
a1 = *tmp;
a2 = *tmp;

在某些编译器中，这段代码很可能被编译器优化，优化的结果等同如下代码。

int tmp, a1, a2;
tmp = (unsigned int *)0x4004;
a1 = *tmp;
a2 = a1;

这种优化在一般的情况下没有什么错误，但是在特殊的情况下却可能引发错误。例如：第一次读操作(a1 = *tmp)后，*tmp的内容有可能已经被更新，在这种情况下，第2次读操作读出的内容与第一次不一样。原本程序的含义也是在两个不同的时刻读出两个不同的值，但是经过优化后的程序只能读出相同的值。这就需要使用volatile关键字。上述的程序英嘎携程如下形式:

volatile unsigned int *tmp;
int a1, a2;
tmp = (volatile unsigned int *)0x4004;
a1 = *tmp;
a2 = *tmp;

总结

volatile在嵌入式系统中普通用于可能具有并行操作性质的数据，这些变量可能是被外部改变或者内部并行的程序改变。

04. 嵌入式系统中应用

在程序中对GPIO相关寄存器的定义

#define PINSEL0 (*((volatile unsigned long *) 0xE002C000))
#define PINSEL1 (*((volatile unsigned long *) 0xE002C004))
#define PINSEL2 (*((volatile unsigned long *) 0xE002C008))
#define PINSEL3 (*((volatile unsigned long *) 0xE002C00C))

寄存器的定义应该用volatile修饰，避免其在编译过程中被编译器优化，产生意想不到的后果。

05. volatile官方说明

原文如下

volatile

Indicates that a variable can be changed by a background routine.

Keyword volatile is an extreme opposite of const. It indicates that a variable may be changed in a way which is absolutely unpredictable by analysing the normal program flow (for example, a variable which may be changed by an interrupt handler). This keyword uses the following syntax:

volatile data-definition;

Every reference to the variable will reload the contents from memory rather than take advantage of situations where a copy can be in a register.

表明变量能被后台程序修改

关键字volatile和const是完全相反的。它表明变量可能会通过某种方式发生改变，而这种方式是你通过分析正常的程序流程完全预测不出来的。（例如，一个变量可能被中断处理程序修改）。关键字使用语法如下：

volatile data-definition;

每次对变量内容的引用会重新从内存中加载而不是从变量在寄存器里面的拷贝加载。

我的理解：以中断处理程序修改变量解释可能不太合适，以GPIO为例最合适。首先什么是变量？变量就是一块编了地址的内存区域。GPIO的数据寄存器有一个地址，大小一般为32bit，所以这个数据寄存器可以认为就是一个变量，我们可以读写它。如果GPIO设置为输入，修改GPIO数据寄存器这个变量的就是这个GPIO的引脚，不管你如何分析你的程序，你不可能知道这个GPIO数据寄存器里面值是多少，你得读它。你此刻读到数据和下一刻读到的完全可能是不一样的。简单的说就是你要的数据不同步。使用volatile修饰后，会强制你每次引用GPIO寄存器对应的变量时都会去它的寄存器里面读。

防止编译器优化掉操作变量的语句

a.c文件

int main(void)
{
	volatile char a;

	a = 5;
	a = 7;
	
	return 0;
}

b.c文件

int main(void)
{
	char a;

	a = 5;
	a = 7;
	
	return 0;
}

编译生成汇编文件

deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-gcc -S a.c  -o a.s 
deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-gcc -S b.c -o b.s
deng@itcast:~/tmp$ diff a.s b.s
12c12
<       .file   "a.c"
---
>       .file   "b.c"
deng@itcast:~/tmp$ 

发现两个汇编文件相差不大，接下来调整优化等级

编译生成汇编文件

deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-gcc -O3 -S b.c -o b.s
deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-gcc -O3 -S a.c  -o a.s 
deng@itcast:~/tmp$ diff a.s b.s
12c12
<       .file   "a.c"
---
>       .file   "b.c"
18c18
<       @ args = 0, pretend = 0, frame = 8
---
>       @ args = 0, pretend = 0, frame = 0
21,24d20
<       sub     sp, sp, #8
<       mov     r3, #5
<       strb    r3, [sp, #4]
<       mov     r3, #7
26,27d21
<       strb    r3, [sp, #4]
<       add     sp, sp, #8
deng@itcast:~/tmp$ 

可以看到未加volatile修饰的文件b.c，在优化后，汇编对应的a=5;a=7;这两个语句直接优化没了。a=1；a=0;假设a是控制GPIO的语句，原来打算是让GPIO先拉高，再拉低，实现某种时序,结果优化一开，这两句直接废了。这让你在调试硬件的时候会感到莫名其妙。所以这种情况得像a.c那样用volatile来修饰。

防止编译器优化变量的存取对象(memory or register)

a.c文件

int main(void)
{
	int b;
	int c;
	volatile int* a = (int*)0x30000000;
	
	b = *a;
	c = *a;
	
	return c + b;
}

b.c文件

int main(void)
{
	int b;
	int c;
	int* a = (int*)0x30000000;
	
	b = *a;
	c = *a;
	
	return c + b;
}

生成对应的a.s文件

mov     r3, #805306368
ldr     r2, [r3]		@ b = *a;
ldr     r0, [r3]		@ c = *a;
add     r0, r0, r2		@ b + c;
bx      lr

生成对应的b.s文件

mov     r3, #805306368
ldr     r0, [r3]		@ b = *a;
mov     r0, r0, asl #1  	@ b << 2; 也就是 b * 2;也就是 b + b;也就是 add r0, r0, r0(可能这句汇编不合法)
bx      lr

可以看到b.s被优化后，第一次取*a的值时，是从地址0x30000000取出来的（ldr r0, [r3]），第二次就直接没取了，是直接使用了r0的值。这里的r0就是*a的缓存。

访问被volatile修饰的变量时，强制访问内存中的值，而不是缓存中的。

volatile关键词影响编译器编译的结果，用volatile声明的变量表示该变量随时可能发生变化，与该变量有关的运算，不要进行编译优化，以免出错

int main(void)
{
	int b;
	volatile int* a = (int*)0x30000000;
	
	b = (*a) * (*a);
	
	return b;
}

生成对应的汇编

mov     r3, #805306368
ldr     r2, [r3]	①
ldr     r0, [r3]	②
mul     r0, r2, r0
bx      lr

程序本意是要计算平方。如果这段代码在运行至①这行汇编时，被调度开了，过了一阵调度回来继续运行②行，此时完全有可能 R2 != R0。那么计算出来的结果R0必然不等于那个平方值。

06. 附录

6.1 volatile官方描述