【代碼質(zhì)量】嵌入式編程中節(jié)省內(nèi)存的軟件設(shè)計(jì)技巧

ID：最后一個(gè)bug

作者：未知bug

? 大家都知道進(jìn)行單片機(jī)編程和計(jì)算機(jī)編程有個(gè)最大的差別就是單片機(jī)的資源非常的有限，并且對(duì)于大部分低端單片機(jī)而言都沒有操作系統(tǒng)。除了一些嵌入式級(jí)的芯片用了Linux系統(tǒng)外，其他大部分操作都是比較簡(jiǎn)單的RTOS，可能還有一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用或者芯片根本不用系統(tǒng)，直接是裸機(jī)程序。

? 不過大部分單片機(jī)編程都與硬件密切的結(jié)合，這樣工程師能夠?qū)Ξ?dāng)前的項(xiàng)目對(duì)象有更多的把控能力和理解能力。但是由于它的簡(jiǎn)單，我們平時(shí)在工作中往往需要控制一個(gè)項(xiàng)目的成本，對(duì)于單片機(jī)的選型和資源的評(píng)估都是非常謹(jǐn)慎；同樣隨著我們項(xiàng)目功能的不斷擴(kuò)展，也會(huì)讓系統(tǒng)程序逐步變得龐大，這時(shí)候資源的使用就更需要節(jié)約點(diǎn)用了。

? 所以當(dāng)資源受限制(一般的單片機(jī)RAM也就Kb級(jí)別),比如說單片機(jī)RAM不夠了，即使你有再牛的算法可能也無法加入到項(xiàng)目中來，那么有些同志們會(huì)問，那換芯片不就可以了嗎？我只想說這位同志你想多了，對(duì)于不怎么熱賣產(chǎn)品或者不規(guī)范的公司可能還允許你試一試，可是一般的公司項(xiàng)目卡著走的，換了主控芯片，暫且不說軟件上的移植工作，換了芯片成本上必定增加，產(chǎn)品的測(cè)試都得重新規(guī)劃，老板領(lǐng)導(dǎo)可不愿意了。

? 那么主控芯片換不了我們還有什么辦法呢？那我們應(yīng)該從原本的程序中擠出資源來使用了，下面我總結(jié)了幾種常用方法供大家參考。(具體內(nèi)容可以網(wǎng)絡(luò)查找)

?union-共聯(lián)體，是C語言常用的關(guān)鍵字。從字面上的意思就是共同聯(lián)合在一起的意思，union所有的成員共同維護(hù)一段能夠內(nèi)存空間，其內(nèi)存的大小取決于所有成員中占用空間最大的成員。

?union結(jié)構(gòu)體由于是共用同一片內(nèi)存可以大大節(jié)省內(nèi)存空間，那一般什么情況下使用union?又或者union還有什么特點(diǎn)？下面我將用幾點(diǎn)為大家解答。

?1)所有的union的成員及本身的地址是一樣的。

?2)union的存儲(chǔ)模型受大小端的影響，我們可以通過下面的代碼進(jìn)行測(cè)試。(如果輸出結(jié)果為1，表示小端模式，否則為大端模式)

?3)union不同于結(jié)構(gòu)體struct，union對(duì)成員的改變可能會(huì)影響到其他成員變量，所以我們要形成一種互斥使用，比如說我們的順序執(zhí)行其實(shí)就是每個(gè)代碼都是互斥的，所以我們可以用union進(jìn)行函數(shù)處理緩存等。(個(gè)人覺得也可以認(rèn)為是分時(shí)復(fù)用，并且是不會(huì)受內(nèi)存初值影響的處理)

#include

typedef union _tag_test
{
? char a;
? int? b;
}uTest;

uTest test;
unsigned char Checktype(void);

int main(void)
{
??? printf("%x\n",(unsigned int)&test.a);
??? printf("%x\n",(unsigned int)&test.b);
??? printf("%x\n",(unsigned int)&test);
??? printf("%d\n",Checktype());
 }
 unsigned char Checktype(void)
 {
???? uTest chk;
???? chk.b = 0x01;
???? if(chk.a == 0x01)return 1;
???? return 0;
 }

?位域可能對(duì)于初學(xué)者用得比較少，不過對(duì)于大部分參加工作的工程師應(yīng)該屢見不鮮了，確實(shí)它也是我們省內(nèi)存的神器。

?因?yàn)樵谖覀兤綍r(shí)編程過程中，我們使用的變量與實(shí)際情況是息息相關(guān)的，就比如說開關(guān)的狀態(tài)，我們一般就是0或者是1分別表示打開和關(guān)閉，那么我們用一個(gè)bit就能表示，假如說我們用一個(gè)char來存儲(chǔ)就幾乎浪費(fèi)了7個(gè)bit，如果以后也有類似的的情況，那么大部分內(nèi)存都得不到有效的應(yīng)用。所以C語言的位域就是用來解決這個(gè)問題。

?不過我們需要注意如下幾點(diǎn)：

?1)位域是在結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn)的，其中位域規(guī)定的長(zhǎng)度不能超過所定義類型，且一個(gè)位域只能定義在同一個(gè)存儲(chǔ)單元中。

?2)無名位域的使用，可以看下面的代碼。

?3)由于位域與數(shù)據(jù)類型有關(guān)系，那么他的內(nèi)存占用情況也與平臺(tái)的位數(shù)相關(guān)。(相關(guān)內(nèi)容可網(wǎng)絡(luò)查找)

#include
//結(jié)果：編譯通過
//原因：常規(guī)形式（結(jié)構(gòu)體占用兩個(gè)字節(jié)）
typedef struct _tag_test1
{
? char a:1;
? char b:1;
? char c:1;
? char d:6;
}sTest1;
//結(jié)果：編譯無法通過
//原因：d的位域長(zhǎng)度10超過了char類型長(zhǎng)度
/*
typedef struct _tag_test2
{
? char a:1;
? char b:1;
? char c:1;
? char d:10;
}sTest2;
*/
//結(jié)果：編譯可通過
//原因：下面使用無名位域，且占8個(gè)字節(jié)
typedef struct _tag_test3
{
? int a:1;
? int b:1;
? int :0;//無名位域
? int c:1;
}sTest3;
int main(void)
{
??? printf("%d\n",sizeof(sTest1));
??? printf("%d\n",sizeof(sTest3));
??? printf("歡迎關(guān)注公眾號(hào):最后一個(gè)bug\n");
 }

?結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問題可能大部分人關(guān)注的不是很多，可能在通訊領(lǐng)域進(jìn)行內(nèi)存的copy時(shí)候接觸得比較多。結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問題也是與平臺(tái)相關(guān)，CPU為了提高訪問內(nèi)存的效率，一次性可能讀取2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)等，所以編譯器會(huì)自動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存進(jìn)行對(duì)齊。

?廢話不多說，代碼說明一切：

#include
#pragma pack(1)
//有字節(jié)對(duì)齊預(yù)編譯結(jié)果為：12，8
//無字節(jié)對(duì)齊預(yù)編譯結(jié)果為：6，6
typedef struct _tag_test1{
??? char a;
??? int? b;
??? char c;
???
}STest1;

typedef struct _tag_test2{
??? int? b;
??? char a;
??? char c;
???
}STest2;

int main(void)
{
??? printf("%d\n",sizeof(STest1));
??? printf("%d\n",sizeof(STest2));
??? printf("歡迎關(guān)注公眾號(hào):最后一個(gè)bug\n");
 }

?算法優(yōu)化其實(shí)主要是我們通過修改一些算法的實(shí)現(xiàn)一種效率與內(nèi)存使用的一個(gè)平衡，我們都知道我們的算法都存在著復(fù)雜度的問題，我們大部分高效率的算法都是通過使用內(nèi)存來換效率，也就是一種用空間換時(shí)間的概念。那么當(dāng)我們內(nèi)存使用有限的時(shí)候我們可以適當(dāng)?shù)挠脮r(shí)間來換空間的方法，騰出更多的空間來實(shí)現(xiàn)更多的功能。

?同樣我們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以盡量使用局部變量來減少全局變量的使用！

參考demo：

 1#include?"led.h"
 2#include?"delay.h"
 3#include?"usart.h"
 4
 5#define?DEV_NUM_MAX???(3)
 6#define?DEV_PARAM_MAX?(2)
 7
 8typedef?struct?_tag_DevParam
 9{
10????char*?Name;?????????????????????//設(shè)備名稱
11????uint32_t?Param[DEV_PARAM_MAX];??//設(shè)備參數(shù)
12}sDevParam;
13
14
15?const?sDevParam?stDevParam[DEV_NUM_MAX]?=?{
16????????????????????????????????{"Uart1",57600,0},
17????????????????????????????????{"Uart2",57600,1},
18????????????????????????????????{"CAN",1000000,0},
19????????????????????????????????};
20/***************************************
21?* Fuction：const內(nèi)存分配測(cè)試
22?* Author ：bug菌????????????????????????????????
23?**************************************/
24?int?main(void)
25?{
26????uint8_t?t?=?0;
27????uint8_t?devCnt?=?0;
28
29????delay_init();????????????//延時(shí)函數(shù)初始化????
30????uart_init(115200);???//串口初始化
31
32????printf("\n*******************const?Test*******************\r\n");
33
34????for(devCnt?=?0?;devCnt?35????{
36????????printf("DevName?=?%s,Param1?=?%d,Param2?=?%d\r\n",stDevParam[devCnt].Name,\
37??????????????????????????????????????????????????????stDevParam[devCnt].Param[0],\
38??????????????????????????????????????????????????????stDevParam[devCnt].Param[1]);
39????}
40????printf("stDevParam?Size?:?%d?\r\n",sizeof(stDevParam));
41????printf("stDevParam?Addr?:?0x%X?\r\n",stDevParam);
42????printf("\n***********歡迎關(guān)注公眾號(hào):最后一個(gè)bug************\n");
43????while(1)
44????{
45????????delay_ms(10);?
46????????if(++t?>?150){LED0=0;}else{LED0=1;}
47????}????
48?}

運(yùn)行結(jié)果：

分析一下：

• 對(duì)于stm32的所有存儲(chǔ)映像都在對(duì)應(yīng)工程所編譯生成的.map文件中，對(duì).map文件(其文件在工程目錄中)的熟悉度就在一定程度上彰顯你對(duì)stm32單片機(jī)的熟練程度。

• 程序編譯成功以后，就可以直接在map文件中查找const修飾的數(shù)組名，從而得到如下結(jié)果:

• 從上圖我們了解到其stDevParam變量位置0x080016b8數(shù)據(jù)區(qū)且位于（.contdata段--只讀數(shù)據(jù)段）并占用了36個(gè)字節(jié)，與我們串口輸出結(jié)果是相符合的。
  

上圖來源于ST官網(wǎng)

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