【RTOS训练营】站在更高的角度学习C语言

一. 前言

C语言基础，有些同学基础扎实，有同学能用但是理解不深，这个训练营的重点在于RTOS和芯片架构，对C语言的要求也不算高. 结构体、指针、链表，掌握这三点就可以,基本不涉及复杂的语法,基础弱的同学，可以看唐老师的C语言视频，免费的。

我们并不需要停下来单独去学习C语言，C语言可以在RTOS的学习过程中再慢慢精进，不用担心。

唐老师的C语言课程在我们官网（www.100ask.net）：
现在，我们一起来站在更高角度学习C语言

二. 代码引入

int a;
volatile unsigned int *p;
void main()
{
    
	a = 123;

	p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c); /* GPIOA_ODR寄存器的地址 */
  *p = 1;
}

1. 从这段代码可以引出几个问题：

①这段代码涉及哪些硬件？

• Flash、RAM、GPIO、CPU

②程序保存在哪里？

• Flash

③变量a、p保存在哪里？

• RAM

④操作p时，操作哪里？

• GPIO

⑤谁来执行这个程序？

• CPU
• 硬件方面，至少涉及这4部分：Flash、RAM、GPIO、CPU。

1.1 大家先看这个动图(图中的地址是假设的)：

2. 全局变量a、p：

int a;
volatile unsigned int *p;

这两行代码，会在RAM中分配空间给这2个变量(图中的地址是假设的)

变量a、p的地址，你是控制不了的，编译器分配的地址

3. 执行main函数的代码：a = 123;是怎么进行的呢？

• 代码保存在Flash;

• CPU读取Flash得到代码;

• CPU根据代码指示，写变量a;

4. p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c);的执行

• 代码保存在Flash；

• CPU读取Flash得到代码；

• CPU根据代码指示，写变量p；

执行完下面两行代码后：

	a = 123;

	p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c); /* GPIOA_ODR寄存器的地址 */

内存情况如下图(图中的地址是假设的)：

大家可以看到：

• 假设CPU将地址0x2000 0000分配给了a，0x2000 1000分配给了p；

• 对变量a和变量p的写操作都是在写RAM(在STM32F103中地址0x2000 0000开始的一片内存是映射的是RAM空间)；

• 当对变量a进行赋值时，CPU就在a所在的地址空间 ,即从地址0x2000 0000开始的一小段空间(根据a的类型和cpu的位数决定a占用多少长度的空间)写入数据；

• 对于变量p的写操作也是类似的；

执行那两行代码a = 123;``p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c);的结果就是：

• 在RAM地址0x2000 0000处写入了一个数据是123；

• 在RAM地址0x2000 1000处写入了一个数据是(0x40010800 + 0x0c)即0x4001 080C；

• 又根据指针的定义, 我们对
  p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c);这个操作就得到了一个信息: 指针p指向的地址是0x4001 080C。

5. *p = 1

*p = 1;

我们刚才已经知道, 指针p指向的地址是0x4001 080C，所以这一行代码的作用就是让CPU在p指向的地址写入一个数据1，即在地址0x4001 080C处写入数据1。我们在前面以STM32F103的内存空间举例得知地址0x2000 0000开始的一片内存映射的是RAM空间，那么地址0x4001 080C也是RAM空间嘛？不是的。根据STM32的手册我们可以发现地址0x4001 080C处映射的其实是STM32F103的引脚GPIOA(GPIO：通用输入输出)的输出寄存器ODR。

也就是说, *p = 1就是让地址0x4001 080C保存的数据变成了1，对于STM32F103而言,完成的功能就是让GPIOA的寄存器ODR的最低位bit0 = 1，最终表现出来的结果我们放在后面的课程说。

在整个过程中，最重要的是：地址

CPU读Flash得到指令

• 怎么读Flash？用地址
• 得到什么？得到指令，也就是Flash上的数据
  

CPU这个大爷，向外面发出地址，读到Flash上的数据。这些数据就是指令，然后CPU执行指令

6. 深入CPU的指令执行

6.1 指令a = 123?

• 怎么写变量a？用地址

• 做了什么？把数值123写到了内存里

6.2 指令p = (volatile unsigned int *)(0x40010800 + 0x0c)

​ CPU得到这条指令后，怎么执行？

• 怎么写变量p？用地址
• 做了什么？把数值0x4001080c写到了内存里

6.3 指令*p = 1

​CPU得到这条指令后，怎么执行？

• 怎么写GPIO寄存器？用地址；
• 做了什么？把数值1写到了地址0x4001080c上，就是写到了GPIOA_ODR寄存器，导致LED变亮或熄灭；
  

7. 程序核心

这个程序的核心是什么？写地址！
最核心是什么：地址！

我们以葫芦娃举例:

这位大爷，怎么使唤葫芦娃？

• 叫名字, 7个葫芦娃都编号1234567；
• 使唤

在电子系统中，CPU也是大爷，外面的RAM、GPIO、Flash就是儿子。CPU要访问RAM、GPIO、Flash，也要先点名：发出地址：

7.1 地址和内存

RAM很大，CPU读写数据时，是不是要发出地址给RAM，再收发数据？假设我们有个这样的硬件框图：

我们说RAM、GPIO、Flash，是兄弟，是平等的，都给CPU大爷使唤，那么CPU大爷是如何访问这多个平等关系的设备的呢？

​大家看，设备1、设备2都需要地址线，都需要数据线。CPU大爷发出地址，同时到达设备1、设备2；CPU大爷发出数据，同时到达设备1，设备2；那么问题来了：这数据给谁的啊？

​所以，这些连线不够！还需要一个叫做片选信号的信号线和一个内存管理器，如图所示：

CPU大爷，和它的儿子之间，需要插入一个传话人，这个传话人叫：内存管理器/内存控制器。因为RAM、GPIO、FLASH都是同类的设备，都有地址，都能读、写。都 “类似” 内存。假设设备1的地址范围是XXX-YYY，假设设备2的地址范围是AAA-BBB，访问它们的过程是这样的：

• CPU大爷发出地址 addr；
• 内存管理器/内存控制器发现addr 处于 XXX-YYY之间，就知道了，哦，你要访问设备1；
• 内存管理器/内存控制器就把cs1设置为有效值，表示说：CPU大爷选中你了；同时，cs2保持无效值，也就是设备2没被选中，设备2就保持沉默；
• 所以，CPU发出的addr、数据，只会影响到设备1

根源在于：传话人，根据大爷发出的地址，判断要访问哪个设备，就去选中设备。地址！地址！地址！非常重要！

7.2 深入地址

什么叫地址？

​在一栋安居房里，政府故意把房子设计得很小，每个房间都是单独的。

• 单身汉只有1房：char c;
• 夫妻有2房：short a;
• 有娃的家庭有4房：int b;
• 大家庭有8房：char buf[8];

变量在内存哪个位置？我们一般无法决定，链接时确定的。

每个单间，都有一个地址。char c;占据一个字节，有一个地址；short a;占据2字节，有2个地址值；int b;占据4字节，有4个地址值；但是，我们去拜访这些居民时，只使用一个地址：首地址。

在同一栋楼里，大家的地址都是类似的：XX街道XXX小区XXX栋XXX房。在C语言里，就是：char, short, int, struct 、字符串，它们的首地址都是类似的：位数都一样。对于32位CPU，地址都是32位的。用一段伪代码来表示的话，就是这样一个结果：