我从17年开始 单片机项目用的语言都是C++ 前段时间已经上C++17了
最近我在用C++模板封装STM32寄存器 打算实现一套零开销的STM32库(汇编查看 和直接操作寄存器一样)
这是其中一部分gpio的测试代码
希望达成的目标
1 零成本 和手写寄存器没有区别
2 易于使用 不用像C语言写的库函数一样 初始化一些外设 还要定义一个结构体 结构体字段太多 赋值比较麻烦
3 防止错误 比方说 如果尝试初始化PA<16>这样不存在的IO口 编译器将会报错，编译期尽可能的进行检查可能的错误
发现好多人都认为使用C++就一定是会占用更多内存和耗费更多CPU 这其实是一种误解
其实使用模板元编程实现性能会比C更好，因为数据都是编译期生成的 。
比如说 C语言实现一个控制PA口为高电平的函数
void pa_set(uint8_t pin) {
GPIOA->BSRR = 0x01 << pin; // 0x01<<pin 这个移位运算是执行这个函数时 再进行计算的 会耗费CPU
}C++ 模板传参数
template <uint8_t PIN>
void pa_set() {
static_assert(PIN <= 15, &#34;PIN INVALID&#34;); // PIN 范围是0~15 超过15就是无效参数 编译器报错
constexpr uint32_t MASK = 0x01 << PIN; // 这个MASK是编译期 编译器计算的, 因此相比C语言的实现会少一步 移位运算（但是这里PIN必须是常量 否则编译器报错）
GPIOA->BSRR = MASK;
}
虽然C语言也可以把pa_set写成宏的形式来实现编译期计算，但是一些比较复杂的逻辑是不行的 （比如if else)
C++实现PA口控制高或者低 电平
template <uint8_t PIN, uint8_t CTRL>
void pa_ctrl() {
static_assert(PIN <= 15, &#34;PIN INVALID&#34;); // PIN 范围是0~15 超过15就是无效参数 编译器报错
static_assert(CTRL <= 1, &#34;CTRL INVALID&#34;); // CTRL只能为0或者1 否则就是参数无效 编译器报错
constexpr uint32_t MASK = 0x01 << PIN;
if constexpr (CTRL == 0) { // 编译期 判断
GPIOA->BRR = MASK;
} else if constexpr (CTRL == 1) { // 编译期 判断
GPIOA->BSRR = MASK;
}
}
C语言实现
void pa_ctrl(uint8_t pin, uint8_t ctrl) {
// 无法在编译期判断pin和ctrl是否合法，只能在运行时判断，运行时判断就会耗费CPU 而且参数无效的时候 不好处理这种错误
if (ctrl == 0) { // 单片机运行时判断ctrl
GPIOA->BRR = 0x01 << pin;
} else if (ctrl == 1) { // 单片机运行时判断ctrl
GPIOA->BSRR = 0x01 << pin;
} else {
// 不知道 怎么处理？ 代码错误了打印日志？
}
}显然C++的实现更加有优势，不仅执行的代码会更少 而且 更加安全（参数错误的时候编译器会提醒你）
有些人觉得使用C语言宏也可以实现类似的功能，(我是想不到用宏怎么实现)。而且C++写的代码是否真的零开销 也不确定！ 我今天有时间把测试结果发一下
为了使编译器不要生成其他的代码 我修改了汇编启动部分和链接部分（编译器除了生成用户编写的代码 应该还会生成其他一些代码用于初始化全局变量等操作）
修改汇编启动代码 将ResetHandler改成main2,复位后直接运行main2这个函数，删掉与测试无关的部分
main2函数 什么也不做 编译后结果 Code体积接近0
链接文件 ，不链接初始化代码
gpio_config函数初始化1个io时的编译结果
gpio_config函数初始化2个io时的编译结果
gpio_config函数初始化3个io时的编译结果
分析汇编 验证是否零开销
汇编分析 （直接操作寄存器了，没有函数调用）
gpio_config这个函数在1个io和2个io是生成的代码体积是一样的。我选择2个io的汇编 加了一些伪代码注释。比如r0=$0x08000018 类似于C语言中 r0=*((volatile uint32_t *) 0x08000018).
直接写寄存器 代码体积一样的
为什么3个io的时候会多4个字节的代码体积？
3个io时的汇编
主要代码差不多。MOVS换成了MOVW, 估计是MOVS无法加载2个字节的数据.
问题
- 为什么有一个警告 ====> 修改main2为启动函数导致和链接文件导致的
- 为什么要修改main2为启动函数 ====> 使编译器只生成 我写的代码，便于分析(否则即使main函数什么都不写 代码体积还是有点大)。
- 为什么加main2函数 有一个 exteran &#34;C&#34; ====> main2这个标识符要加到向量表里面, 为了使C++编译器不修改这个标识符.
很多人有一种感觉 他们认为越低级的编程语言性能越高 所以 汇编性能最高 其次是c 然后是c++ 其实这是一种错误的感觉 这个感觉完全没有依据。手写汇编 编译器还能给你优化吗？觉得我说得不对你可以和c/c++编译器pk一下 ！现在汇编语言的用途就是用来写那些无法用c/c++写出来的功能 比如修改堆栈指针 切换上下文环境 等等。 |
