[嵌入式]ARM Cortex-M3 深度研究 - 慎用 volatile 关键字修饰 double longlong 等64位长度类型的变量

ARM Cortex-M3 深度研究 - 慎用 volatile 关键字修饰 double longlong 等64位长度类型的变量

导语

大家在做嵌入式项目的时候应该都使用过volatile关键字来修饰访问比较频繁的变量。volatile关键字会告诉编译器，变量是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从内存重新取出它的值。但是volatile可以无所顾虑的被使用吗？

1 ARM Cortex-M3 基础知识

1.1 字长的定义

字的大小取决去具体系统的总线宽度，如果是32位的系统，则一个字是4个字节，如果是64位，则是8个字节；由于ARM Cortex-M3是32位系统，所以在这里定义一个字为4字节（32Bit）。

1.2 数据的加载与存储指令集

注意：LDRD和STRD Load and Store Doubleword Instructions 是ARM扩展的64位指令

1.3 常用变量类型

注意：Volatile 修饰的双字变量存取指令都由单个双字指令拆分成两个单字指令

2 实验测试 - volatile 修饰双字变量的影响

2.1 实验测试场景

场景一：使用 volatile 修饰 unsinged long long (double同理)

• 选择一款基于ARM Cortex-M3 内核的MCU，这里用的是GD32F103VET6，IDE为Keil MDK 5.06 Update7 (build 960) 编译优化O0-O3均可
• 定义两个volatile unsigned long long 类型的全局变量A和B，A、B赋初值为0
• 定义main函数并编写一个while死循环，循环处理函数中始终将A的值赋给B
• 初始化并使能一个外部按键触发中断，在中断处理函数中将A赋值为0xFFFFFFFFFFFFFFFF
• 启动汇编调试，观察赋值的汇编语句

//定义全局变量
volatile unsigned long long A=0,B=0;
//定义主函数
void main(void)
{
 EXTI_Init();//外部中断
 while(1)
 {
  /*此处使用汇编查看*/
  B=A;
  /*汇编代码如下
  LDR r0,[pc,#16]   取得变量A的内存地址并装入r0
  LDR r1,[r0,#0x00] 将变量A的低32位装入 r1       此处使用断点
  LDR r0,[r0,#0x04] 将变量A的高32位装入 r0
  LDR r2,[pc,#12]   取得变量B的内存地址并装入r2
  STR r1,[r2,#0x00] 将r1值存储到变量B的低32位
  STR r0,[r2,#0x04] 将r0值存储到变量B的高32位    此处使用断点
  汇编代码如上*/
 }
}
//外部中断处理函数
EXTI_IRQHandler()
{
 /*此处添加断点*/
 EXTI_Interrupt_Flag_Clear(EXTI);//清中断标志位
 A=0xFFFFFFFFFFFFFFFF;
}

• 在 LDR r1,[r0,#0x00]处使用断点暂停，然后按住外部触发按键，再点击全速运行触发外部中断，操作顺序一定要对
• 再次全速运行，跳出外部中断，在STR r0,[r2,#0x04]处使用断点暂停，然后观察r1,r0的值，可见异常
• 再次单步运行即可完成B的赋值过程，观察B最终的值

完整调试过程如下GIF图所示：

赋值结果：B=0xFFFFFFFF00000000，其值的低32位来自A更改前的值，高32位来自于中断更改后A的值！

场景二：不使用 volatile 修饰

如果不使用 volatile 修饰，则赋值汇编指令为下表所示：

由于LDRD和STRD均为单指令且一步完成了双字节赋值/读值操作，因此不会被中断程序打断！

2.2 实验测试结论

实验表明：在ARM Cortex-M3上“多线程"使用volatile 修饰double longlong 等64位长度类型的变量是非常危险的。
中断可以打断两次连续的LDR和STR指令，出现奇怪的数值，如果使用了这个异常的数值做进一步的控制处理，则有可能会出现一系列不可控的后果，大家务必注意！！！！

3 为何 volatile 修饰双字变量会改变使用的指令集宽度

暂时未知，大家可以去研究一下！！！

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