Книга по работе с WinAVR и AVR Studio / AVR_03-2010

Книга по работе

Роман Абраш

с WinAVR и AVR Studio

г. Новочеркасск

E-mail: arv@radioliga.com

значения типа int, и возвращает результат типа long (воспользуем-

Продолжение. Начало в №1-2/2010

ся шаблоном описания функции):

Функции

long q_hyp (int katet1, int katet2);

Далее необходимо выполнить реализацию функции:

Как было сказано, язык Си предоставляет в распоряжение про-

граммиста небольшой, но достаточно мощный инструментарий в

long q_hyp(int katet1, int katet2){

виде набора операторов, которые позволяют достаточно просто

решать определенные наиболее часто требуемые задачи. Однако

long result;

программист наверняка будет нуждаться и в других решениях «ти-

result = katet1*katet1 + katet2*katet2;

повых» для его алгоритма задач. Т.е. наверняка в программе най-

return result;

дутся определенные участки, выполняющие конкретные этапы ал-

}

Следует обратить внимание на новый оператор return, имею-

горитма и при этом повторяющиеся с минимальными изменениями

во многих местах. Для уменьшения таких повторов, а заодно для

щий очень простой шаблон:

качественного улучшения реализации алгоритма введено понятие

return [возвращаемое значение];

функции.

Этот оператор вызывает немедленное завершение работы

Функция – это особым образом оформленная последователь-

функции с заданным возвращаемым значением, которым может

ность операторов, заменяемая в тексте программы своим корот-

быть любое выражение.

ким эквивалентом, т.е. обращением к функции.

В реализации функции использована дополнительная перемен-

Функция представляет собой как бы мини-программу по обра-

ная result типа long. Эта переменная описана внутри тела функции

ботке небольшого количества данных. Данные, передаваемые ей

и называется локальной переменной, т.е. доступной только внутри

на обработку, получили название параметров функции, а резуль-

тела этой функции. Это означает, что вне тела функции перемен-

тат их обработки назван значением функции. Для возврата резуль-

ная result не существует, в противовес глобальным переменным,

тата функции служит особый оператор return.

описанным вне тела функции (в тексте программы), которые суще-

Различают описание (определение) функции, реализацию и

ствуют и доступны как внутри функции, так и в остальной части

ее использование (иначе говоря – вызов, т.е. обращение к функ-

программы. Функция может использовать любые глобальные пере-

ции). Как и переменная, функция должна быть определена до пер-

менные, но ее локальные переменные нигде, кроме ее тела, ис-

вого обращения к ней.

пользовать нельзя.

Шаблон определения функции следующий:

Как же можно использовать только что определенную функ-

<тип> <идентификатор>([список параметров]);

цию? Любым из следующих способов:

Здесь тип – любой ранее определенный тип данных, иденти-

int a = 2, b = 5;

фикатор – это собственно «имя» описываемой функции, а список

параметров – это разделенный запятыми список описаний «вход-

long r;

ных» переменных.

r = q_hyp(2,5);

// r будет равно 29

Описание функции напоминает описание переменной, за ис-

r = q_hyp(a, 4);

// r будет равно 20

ключением обязательно присутствующих круглых скобок (список

r = q_hyp(a, b);

// r будет равно 29

параметров может отсутствовать). Под типом функции подразуме-

r = q_hyp(5 + a, b *2); // r будет равно 149

вается тип возвращаемого ею значения.

q_hyp(a,b);

// результат функции будет проигнорирован

Реализация функции – это уже раскрытие в виде операторов

r = 10 * q_hyp(a, b);

// r будет равно 290

алгоритма ее работы. Шаблон реализации функции следующий:

То есть обращение к функции эквивалентно использованию пе-

<тип> <идентификатор>([список параметров]) {

ременной соответствующего значения. Кстати, если результат функ-

[список описаний переменных]

ции не используется – это не является ошибкой. Самое важное: пе-

[последовательность операторов]

ременным, определенным в качестве входных, присваиваются зна-

}

чения, фактически указанные при обращении функции. Говорят, что

Начало реализации аналогично определению, однако заверша-

формальным параметрам присваиваются фактические значения.

ется не точкой с запятой, а ограниченным фигурными скобками те-

Переменные-формальные параметры функции доступны в ее

лом функции. Тело функции состоит из необязательного объявле-

теле наравне с локальными, причем любые их изменения никак не

ния переменных, принадлежащих только этой функции, и необяза-

отражаются на «внешней» программе. В только что рассмотрен-

тельной последовательности операторов, реализующих алгоритм

ном примере r = q_hyp(a, b) никаким способом функция не может

работы функции. Необязательность всех элементов лишь подчер-

изменить значения переменных a и b, даже если бы в ее теле было

кивает, что такое допустимо синтаксисом языка, но вовсе не здра-

написано katet1 = 100 – действует правило локальности перемен-

вым смыслом.

ной katet1.

Наконец, использование функции осуществляется по следую-

Теперь рассмотрим различные допустимые варианты реализа-

щему шаблону:

ции функций.

<идентификатор>([список значений]);

Функция, которая не возвращает значения.

Здесь идентификатор – тот же, что был задан при описании и

Для такого случая существует особый вид типа – void (пусто).

реализации функции, а список значений – это список выражений,

Этот тип означает буквально «нет значения». Для описанных как

используемых для передачи в функцию параметров. Число выра-

void функций недопустимо использование оператора return с ука-

жений в этом списке обязательно должно совпадать с числом пара-

занием возвращаемого значения. Обычно функции без возвраща-

метров в определении функции. Рассмотрим все вышесказанное

емого значения изменяют глобальные переменные. Пример:

более подробно на примере.

void func(int x);

Предположим, необходимо иметь функцию вычисления квад-

рата гипотенузы по значению катетов прямоугольного треугольни-

Функция без параметров.

ка. Определимся с входными и выходными данными. Очевидно,

Такая функция может как возвращать значение, так и обойтись

что значения длин катетов – это входные, а квадрат гипотенузы –

без этого. При ее описании, реализации и использовании просто ука-

выходные данные. Ограничим диапазон значений входных данных

зываются круглые скобки с ключевым словом void внутри. Пример:

типом int, тогда очевидно для выходного значения потребуется

int func(void);

тип long. Опишем функцию q_hyp, которая получает на входе два

5 4

Радиолюбитель – 03/2010

Следует так же оговорить особенность оператора return. Как

Этот пример объявляет переменную funcptr типа указатель на

было сказано, он вызывает немедленное завершение функции, т.е.

функцию, возвращающую результат типа int и имеющую 2 пара-

в следующем примере функция всегда будет возвращать значение

метра типа int. При объявлении указателя на функцию запись выг-

100 вне зависимости от значения переданных ей параметров:

лядит слегка шиворот-навыворот, но так уж требует Си: сначала

мы указываем тип результата функции, затем обязательно в круг-

long q_hyp (int katet1, int katet2);

лых скобках идентификатор (не забудьте про звездочку – признак

Далее необходимо выполнить реализацию функции:

указателя), а затем, опять в круглых скобках, список типов пара-

метров функции.

long q_hyp(int katet1, int katet2){

Сделанная запись – не что иное, как объявление переменной с

long result;

новым типом. Можно определить этот тип при помощи typedef, после

return 100;

чего определять указатели на функции станет легче:

result = katet1*katet1 + katet2*katet2;

return result;

typedef int (*t_func)(int, int);

}

t_func funcptr;

Если функция не возвращает значения, использование опера-

Этот пример полностью аналогичен предыдущему.

тора return необязательно – в этом случае функция завершится

Обращение к функции по указателю происходит чуть иначе, чем

после исполнения последнего оператора ее тела.

обращение к переменной по указателю: в данном случае операция

Внутри функции могут быть определены метки для использо-

разыменования указателя не используется:

вания совместно с оператором goto. Это локальные метки, т.е. опе-

funcptr = (t_func)0x1000;

ратор goto может осуществить переход лишь на метку в пределах

funcptr(3, 12);

// вызов функции с параметрами по абсолютному

тела функции, и никуда более. Глобальных меток в Си не существу-

ет (см. раздел «setjmp.h – Нелокальные переходы goto» для зна-

адресу

комства со способом обойти это ограничение).

В этом примере можно было бы использовать и такое присваи-

вание значения указателю:

Рекурсия

funcptr = (void *)0x1000;

Особый случай использования функции – это обращение к ней

изнутри ее тела. Такой метод получил название рекурсивного вы-

так как тип указателя (void *) совместим с любым иным типом

зова функции, или рекурсии.

указателя.

Существует большое количество алгоритмов, которые чрезвы-

чайно сложно реализуются обычным, нерекурсивным образом, в

Препроцессор

то время как с использованием рекурсии решение получается про-

Препроцессор – это отдельное средство предварительной об-

стым и красивым. Среди них, например, различные алгоритмы сор-

работки текста программы. Препроцессор изменяет текст програм-

тировки, поиска и т.п.

мы автоматически перед началом работы компилятора. Эти изме-

Рассмотрим пример рекурсивной функции для вычисления

нения включают:

факториала числа:

- «слияние» строковых констант

- удаление комментариев

long long factorial (unsigned char N){

- замена escape-последовательностей на фактические коды

long long result;

символов

if (N != 0) result = N * factorial(N-1);

- выполняются текстовые макро-подстановки (см. далее)

else result = 1;

- включение и исключение участков текста программы

return result;

}

Директивы препроцессора

Рекурсивный алгоритм подсчета факториала заключается в том,

Управление работой препроцессора осуществляется при помо-

чтобы обращаться самому к себе, но со значением входного числа

щи специальных ключевых слов, названных директивами препро-

на 1 меньше текущего значения, пока входное значение не станет

цессора.

равно нулю. Возможно, это не самый удачный пример эффектив-

Директива обязательно должна начинаться с символа «#» в

ного рекурсивного алгоритма, однако он хорошо раскрывает глав-

первой позиции строки программы.

ную опасность рекурсии.

Набор директив может быть весьма обширен, но обязательно

Дело в том, что все локальные переменные размещаются в ОЗУ,

реализуются директивы включения файлов, определения макро-

причем при каждом новом обращении к функции происходит выде-

подстановок и условной компиляции.

ление для них новой области памяти. Чем «глубже» происходит по-

гружение в рекурсивные вызовы, тем больше расходуется памяти.

#include

Это легко может привести к полному исчерпанию доступного про-

Директива включения файла в текст программы. Формат ди-

странства ОЗУ во время расчета, и узнать об этом будет чрезвы-

рективы может быть двух вариантов:

чайно проблематично, ведь Си для микроконтроллеров не содер-

#include <имя файла>

жит никаких средств контроля подобных ситуаций.

или

Поэтому, не смотря на всю привлекательность рекурсивных

#include ”имя файла”

алгоритмов, использовать их можно лишь с большой осторож-

Здесь в первом случае угловые скобки – неотъемлемый атри-

ностью.

бут директивы. Имя файла – это имя любого текстового файла,

возможно, с указанием пути к нему.

Косвенное обращение к функции

Действие этой директивы заключается в том, что в место нее в

Рассмотренные способы обращения к функции являются при-

текст программы помещается содержимое указанного файла без

мерами непосредственного ее вызова, точно так же, как ранее не-

изменений, т.е. текст программы расширяется содержимым фай-

посредственно использовались значения переменных. Но при по-

ла. Дальнейшая обработка препроцессором уже ведется над этим

мощи указателя можно было получить доступ к содержимому пе-

«расширенным» текстом.

ременной и косвенным образом, аналогичный способ существует и

Никаких проверок содержимого файла не производится.

для обращения к функции.

Первый вариант директивы (с указанием файла в угловых скоб-

Очевидно, реализация этого способа требует определения ука-

ках) заставляет препроцессор искать файлы в особой директории,

зателя на функцию. Делается это достаточно просто, путем объяв-

так называемой директории стандартных библиотек.

ления переменной соответствующего типа:

Второй вариант ограничивает поиск той директорией, где

находится обрабатываемый файл, т.е. в директории пользова-

int (*funcptr)(int, int);

теля.

5 5

Радиолюбитель – 03/2010

Наличие двух вариантов директивы позволяет программисту

В результате обработки препроцессором будет сформирован

заменять системные библиотечные файлы собственными.

следующий текст (комментарии из текста удаляются):

Обычно этой директивой подключаются файлы с расшире-

for (i = 0; i < 56

нием .h – так называемые заголовочные файлы.

count = while(arr[i++] != ‘ ‘); * 12;

#define

В первом операторе из-за наличия однострочного коммента-

Директива определения макроподстановки (макроса).

рия в строке определения макроса будет удалена важная часть, а

Директива может иметь один из двух форматов:

во втором получится сразу две ошибки: во-первых, макрос – это не

#define <идентификатор> [значение]

функция, и в итоге оператор присваивания приобретает недопусти-

или

мый вид, а во-вторых, умножение на 12 окажется отделенным точ-

#define <идентификатор>(псевдо-параметры) <тело>

кой с запятой из тела макроса от остальной части оператора, что,

Здесь идентификатор – любой допустимый синтаксисом иден-

естественно, так же недопустимо.

тификатор, значение – любой набор символов. Псевдо-парамет-

В связи с этими особенностями макросов настоятельно реко-

ры – это список (через запятую) идентификаторов, используемых

мендуется придерживаться следующих правил:

в качестве составной части при определении тела, представляю-

1. В определении макроса, если это необходимо, использовать

щего собой так же любой набор символов.

только комментарии вида /* … */

Первая форма директивы получила название директивы опре-

2. Заключать в круглые скобки как все тело макроса, так и вхо-

деления символа или простого макроса, а вторая – директива

дящие в него псевдопараметры

определения макроса-функции (из-за внешнего сходства с опре-

3. Не завершать тело макроса точкой с запятой

делением функции).

Примеры правильно определенных макросов:

Действие директивы в любом из форматов заключается в том,

#define LINE 56 /* числовую константу можно без скобок */

что препроцессор, встретив в тексте программы определенный ди-

рективой идентификатор, осуществляет подстановку вместо него

#define cnt(x,y) ( (x) * (y) ) /* скобки лишними не бывают! */

соответствующего значения или тела, причем подстановка осуще-

Если определяемый макрос не умещается на одной строке,

ствляется именно путем ввода текстовых символов. Это, в частно-

допускается использовать символ переноса – обратная черта.

сти, подразумевает, что в качестве идентификатора можно исполь-

Допускается повторно определять один и тот же макрос в раз-

зовать даже ключевые слова языка Си!

ных местах программы, это сопровождается предупреждением ком-

Рассмотрим ряд примеров.

пилятора, но, в сущности, безопасно. Переопределенный макрос

Пусть указаны следующие директивы:

начинает действовать для строк программы, находящихся ниже его

определения, а выше действует старое определение.

#define D1 7

#define D2 + 5 *

#undef

#define D3 if

Директива, которая отменяет описание макроса, ранее сделан-

А далее в тексте программы эти символы используются так:

ное директивой #define.

Формат директивы очень прост:

for (i = D1; i < D1 D2 3; i++)

#undef <идентификатор>

D3 (i == 5) break;

С момента появления в тексте программы этой директивы, мак-

После того, как препроцессор обработает указанные строки,

рос, определяемый идентификатором, перестает существовать

будет сгенерирован следующий текст программы:

для препроцессора. Если после этого снова определить макрос с

тем же идентификатором – компилятор не выдаст предупреждения.

for (i = 7; i < 7 + 5 * 3; i++)

if (i == 5) break;

Директивы условной компиляции

То есть вместо символов D1, D2 и D3 соответственно будут под-

Группа директив препроцессора, позволяющих в зависимости

ставлены их значения. Смысл полученного текста лежит на совести

от значения определенных символов (макросов) изменять содер-

программиста.

жимое текста программы: #if, #ifdef, #ifndef, #else, #elif и #endif.

При объявлении макроса-функции перед тем, как осуще-

Эти директивы сложные, т.е. состоят из более чем одной строки.

ствить замену символа в тексте программы, препроцессор осу-

Начинаются всегда с одной из первых трех директив, завершаются

ществляет подстановку вместо псевдо-параметров их факти-

всегда директивой #endif. Оставшиеся директивы #else и #elif –

ческие значения, и лишь затем тело макроса подставляется в

дополнительные, могут и отсутствовать.

текст:

Эти директивы, как по синтаксису, так и по смыслу, очень близ-

ки к оператору if и служат для проверки определенного условия, и,

#define foo(x) x + 5

в зависимости от истинности этой проверки, исключения указан-

int k = foo(45*x);

ных строк программы из процесса компиляции. Пояснить сказан-

ное проще всего на примерах.

// после обработки препроцессором заменится на

#if (VER > 5)

int k = 45*x + 5;

//строки, которые будут обработаны только в случае, если VER > 5

Важно понимать, что любой макрос – это именно текстовая под-

int x = 10;

становка, т.е. в отличие от настоящей функции не происходит ника-

#endif

кой передачи параметров, вызова и т.п. – именно поэтому псевдо-

В примере строка int x = 10 будет включена в текст программы

параметр макроса не имеет типа.

только в том случае, если значение ранее описанного символа VER

Из-за того, что подстановки осуществляются, начиная с пер-

будет больше 5. Если же символ VER не определен вообще, или его

вого символа (не пробельного) после идентификатора и до конца

значение менее 5 – строка будет удалена препроцессором.

строки, следует быть осторожными с использованием одностроч-

#if (VER > 5)

ных комментариев и точки с запятой. Следующие примеры явно

неверные:

int x = 10;

#else

#define LINE 56 // определяем константу

long x = 10;

#define cnt(x, y) while(x[y++] != ‘ ‘);

#endif

for (i = 0; i < LINE; i ++) arr[i] = i;

В этом примере в текст программы будет введено определение

переменной int x только для случаев, когда VER > 5, а в противном

count = cnt(arr, i) * 12;

переменная x будет иметь тип long. (см. следующую страницу)

5 6

Радиолюбитель – 03/2010

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

называют модулем. Модуль обычно строится из описаний перемен-

#if (VER > 5)

ных, типов, макросов, функций и т.п., сгруппированных по функци-

int x = 10;

ональному назначению. Например, программа может состоять из

#elif (VER > 3)

модуля работы с дисплеем, модуля обслуживания клавиатуры и т.д.

char x = 10;

Обязательным является наличие как минимум одного модуля – глав-

#else

ного, который, как правило, имеет название, совпадающее с на-

long x = 10;

званием всего проекта.

#endif

Главный модуль использует, в том числе, определения, сделан-

Этот пример показывает, как изменяется тип переменной x в

ные в других модулях. Основное его отличие в том, что он обяза-

зависимости от значения VER:

тельно должен содержать реализацию (описание не требуется) глав-

ной функции main() – это зарезервированное имя для главной фун-

Значение VER

Тип переменной x

кции. Реализация этой функции должна быть следующей:

6 и более

int

int main(void){

4 или 5

char

<тело функции>

3 и менее

long

}

Количество директив #elif может быть любым.

Главная функция автоматически получает управление после

Если не требуется анализировать значение символа, а доста-

начала работы программы, т.е. она вызывается самой первой. За-

точно лишь убедиться в том, что он определен, используется такой

вершение функции main() равносильно прекращению любой рабо-

вариант:

ты. Для микроконтроллеров несущественно значение, которое фун-

кция возвращает, поэтому в теле функции нет необходимости ис-

#ifdef VER

пользовать оператор return.

int x = 10;

До реализации любой функции в любом модуле должны быть

#endif

сделаны все необходимые объявления (описания) используемых

Если символ VER определен «выше по тексту» программы –

в этой функции типов, констант, переменных и т.п. В частности,

определение переменной включается в текст программы, иначе –

должны быть сделаны подключения файлов, в которых описаны

исключается.

функции из других модулей проекта. Такие файлы получили на-

Директива #ifndef позволяет что-то включить в текст програм-

звание заголовочных и традиционно имеют расширение .h (от англ.

мы, если символ НЕ описан ранее. Обе директивы могут содер-

header – заголовок).

жать блок #else для указания альтернативного включения текста.

Как правило, каждый модуль имеет свой заголовочный файл.

Не нужды упоминать, что указанные директивы могут «охваты-

В нем должны быть описаны все функции, переменные, типы, мак-

вать» любое количество строк программы, в том числе любые дру-

росы и т.п., словом, все то, что должно быть доступно в главном

гие директивы препроцессора. Главное, о чем нельзя забывать:

модуле (или любом другом, если это требуется). Реализация фун-

директивы препроцессора не могут использоваться для контроля

кций выполняется в файле с исходным текстом модуля, который

содержимого переменных! То есть определить, существует или

имеет традиционное расширение .c. Файл заголовка включается

нет переменная var при помощи директивы #ifdef var можно, но

директивой #include в соответствующий модуль и, таким обра-

будет ошибочной попытка проверить ее значение директивой

зом, в этом модуле становятся доступны все объявленные воз-

#if var == 15.

можности.

Деление содержимого исходного текста модуля – условное, т.е.

Структура программы

не обязательное. Ничто не препятствует подключать в главный мо-

Ранее была использована аналогия между разговорным язы-

дуль сразу исходный текст вспомогательного, однако такой подход

ком и языком программирования, благодаря чему были введены

не одобряется.

понятия алфавита, лексем и т.п. Однако, «вызубрить» словарь и

Может быть так же определен заголовочный файл для всего

правила построения предложений еще не достаточно, чтобы на

проекта в целом. Обычно в него помещают определения макросов

равных общаться с иностранцем, необходимо знать еще характер-

и символов, которые используются всеми модулями проекта. На-

ные идиомы, традиции и т.п. – все то, что создает атмосферу взаи-

пример, описав символ DEBUG, можно при помощи директив ус-

мопонимания. Аналогичная ситуация и в программировании: чтобы

ловной компиляции изменять логику работы любого из модулей во

компилятор без проблем воспринял программу, следует придержи-

время отладки.

ваться определенных правил в ее организации.

Ряд этих правил относятся к категории «неписаных», т.е. фор-

Локальность и глобальность

мально не обязательных, но очень и очень желательных к примене-

В проекте, состоящем из нескольких файлов, изобилующих оп-

нию. Кроме этого существуют строгие правила, которых, к счастью

ределениями переменных, функций и т.п., необходимо четко ори-

немного.

ентироваться в том, какие описанные элементы доступны в тех или

иных файлах.

Основные понятия

Считается, что любое описание действительно только внутри

Рассмотрение структуры программ будет осуществлено на ос-

блока, ограниченного фигурными скобками, где это определение

нове наиболее сложного, всеобъемлющего случая. Менее сложные

реализовано. Для модуля аналогом фигурных скобок выступают

(и более близкие к реальным любительским проектам) получаются

начало и конец файла модуля. Любое объявление считается ло-

путем соответствующего упрощения, о чем по мере изложения бу-

кальным по отношению к своему блоку.

дет упоминаться особо.

Таким образом, все объявления, сделанные в начале модуля,

Существует ряд устоявшихся терминов в среде программиро-

«видимы» и доступны для любых функций этого модуля. Такие

вания, которые будут использованы и в этой книге.

объявления называют глобальными для данного модуля. Итак, каж-

Проект – совокупность всех файлов, необходимых для выпол-

дое объявление может быть локальным и глобальным одновремен-

нения поставленной перед программистом задачи. Включает в себя

но, все зависит от точки отсчета.

файлы исходных текстов программ, документацию, промежуточ-

Чтобы обеспечить видимость глобальных объявлений модуля

ные файлы, генерируемые компилятором, и главное: результат ком-

из других модулей, необходимо вынести их в заголовочный файл,

пиляции проекта – загружаемый файл.

который подключить директивой #include в нужном модуле. Объяв-

Загружаемый файл – результат работы компилятора, файл,

лять переменные в заголовочном файле – неверная практика, т.к.

содержимое которого готово для загрузки в микроконтроллер. Иног-

это может привести к многократному переобъявлению одних и тех

да используют неофициальный термин «прошивка».

же идентификаторов в различных модулях, т.е. всюду, где заголо-

Исходный текст программы, как правило, состоит из более чем

вочный файл будет подключен. Переменные и так по умолчанию

одного файла. Каждый отдельный файл, составляющий программу,

считаются «видимыми» для других модулей, хотя для того, чтобы

5 7

Радиолюбитель – 03/2010

воспользоваться переменной из стороннего модуля, необходимо

может создать ложное впечатление о «вседозволенности» или «без-

объявить ее внешней.

граничных возможностях» языка, т.е. может показаться, что любая

Кроме видимости, стоит упомянуть еще о действительности

программа будет очень качественной лишь благодаря средствам

значений глобальных переменных. Считается, что глобальная пе-

Си, а от программиста не требуется повышенных усилий при ее

ременная сохраняет свое значение в пределах блока своего описа-

разработке, как, например, это необходимо при работе на ассемб-

ния. То есть, если значение глобальной переменной Cnt будет из-

лере.

менено функцией foo(), то это значение будет действительно и для

Увы, использование языка высокого уровня вызывает неизбеж-

вызванной следом функции fee().

ное увеличение размера итогового программного кода, повышает

требовательность программы к памяти и быстродействию микро-

Внешние функции и переменные

контроллера. Для систем на базе персональных компьютеров с сот-

По отношению к текущему модулю все переменные и функции

нями мегабайт доступного ОЗУ и гигагерцами тактовой частоты

из других модулей считаются внешними, т.е. недоступными. Если

процессора эти проблемы, возможно, и не особенно актуальны, но

необходимо использовать эту внешнюю переменную, ее нужно объя-

не для микроконтроллеров AVR, с их единицами килобайт ОЗУ (а

вить в модуле с указанием ключевого слова extern:

то и десятками байт) и весьма скоромной производительностью

ядра.

extern int Cnt;

Чтобы хоть как-то снизить остроту этой проблемы, все компи-

Пример показывает объявление внешней переменной Cnt. При

ляторы Си содержат средства встроенной оптимизации генерируе-

компиляции такой программы компилятор зарезервирует адрес этой

мого кода. В чем же заключается оптимизация и как она осуществ-

переменной, не определяя его конкретное значение, а компонов-

ляется компилятором?

щик при сборке загружаемого файла будет осуществлять поиск во

Обратимся к функции, рассмотренной в разделе «static-пере-

всех модулях объявление переменной Cnt и, если найдет, присвоит

менные». Если задуматься, то как бы эта функция не использова-

значение ее адресу. Таким образом, внешние переменные стано-

лась в программе, ее можно с успехом заменить обращением к

вятся доступны в модуле лишь после компоновки.

переменной result с автоинкрементом (если бы эта переменная

Для обращения к функции из другого модуля в большинстве

была не локальной, а глобальной), и тем самым исключить лиш-

случаев не требуется указания служебного слова extern – доста-

ний код и расходы стековой памяти на реализацию обращений к

точно простого наличия ее объявления в подключаемом заголовоч-

функции. Но программист, предположим, не посчитал нужным так

ном файле, действия компоновщика при этом аналогичны рассмот-

поступить, и тогда в дело вступает оптимизатор компилятора, ко-

ренным. Иное дело, если функция определена, но исходного текста

торый незаметно изменяет логику программы, не нарушая ее прин-

соответствующего модуля нет. Такая ситуация возможна, если вме-

ципиально. То есть вместо обращения к функции func() компиля-

сто исходного текста модуля имеется объектный файл. В этом слу-

тор встраивает код result++, переместив при этом переменную

чае объектный файл включается в обработку компоновщиком, и

result из области локальных переменных к глобальным. Для про-

для объявленной функции использование ключевого слова extern

граммиста все остается, как было, но фактически программа уже

является обязательным.

немного не та…

Иными словами, слово extern означает, что адрес объекта

Другой способ оптимизации заключается, например, в том, что

должен быть найден не компилятором, а компоновщиком на осно-

компилятор может добиться более высокой скорости выполнения

ве содержимого объектных файлов, используемых для сборки

цикла, заменив его на следующие друг за другом участки одинако-

проекта.

вой функциональности, т.е. фактически аннулируя смысл операто-

Излишне говорить, что фактический тип внешней переменной

ра цикла. «Развернутый» цикл может быть больше по размеру кода,

или функции должен совпадать с объявленным, а для функций еще

но часто оказывается оптимальнее по требованиям к ОЗУ и более

должны совпадать типы и количество параметров. Так как на этапе

быстродействующим.

компоновки уже нет возможности точно сверить соответствие фак-

Практически всегда компилятор заменяет функцию, которая ис-

тической реализации объявлению, несоблюдение этого правила чре-

пользуется лишь однажды в программе на эквивалентные опера-

вато крупными проблемами. Обычно, в этом случае генерируется

торы, помещенные прямо в месте вызова функции. Так же у компи-

лишь предупреждение, а не ошибка.

лятора хватает интеллекта разобраться с неизменными значения-

ми выражений и заменить несколько операторов сразу константой

static-переменные

результата. Пример:

Ранее уже говорилось о сохранении значений глобальных пе-

define MAX 15

ременных. Однако очень часто требуется, чтобы локальная пере-

менная внутри функции сохраняла бы свое значение от вызова к

int sum, i = 10;

вызову. Например, многие алгоритмы генерации псевдослучайных

while (i < MAX){

чисел для получения нового числа используют значение, возвра-

if (i == 9) break;

щенное в предыдущий раз.

i++;

Возможность сохранять значение локальной переменной

sum *= i;

есть – для этого служит ключевое слово static (т.е. статическая),

}

добавляемое к типу переменной при ее определении. Например:

Если проанализировать этот участок кода, то окажется, что не-

смотря на всю его сложность, значение переменной sum всегда

int func(void){

будет равно нулю. Но это значение переменная и так получает по

static int result = 0;

умолчанию при описании, следовательно, оператор цикла можно

return ++result;

устранить из программы, никак не нарушив ее функционирования.

}

Этот пример, конечно, из разряда казусов. Однако такие казу-

При первом обращении к функции func() она вернет результат

сы случаются нередко, приводя, порой, к занимательным результа-

1, при втором – 2, при третьем – 3 и т.д., т.е. будет возвращать

там: если представить, что значение sum используется далее в про-

порядковый номер обращений к ней. Для хранения этого номера

грамме, то автоматически могут быть исключены и другие участки

используется локальная переменная result, объявленная стати-

кода:

ческой.

if (sum > 10)

Инициализация статической переменной происходит лишь един-

ственный раз, при первом обращении к функции, а все прочее вре-

x = x + sum;

мя эта переменная сохраняет ранее присвоенное ей значение.

else

x = x * sum;

Об оптимизаторе программ

delta = (x + i * 12)/2;

Рассмотренные средства языка Си позволяют строить програм-

И в этом участке лишним окажется оператор if, более того,

мы произвольной сложности. Удобство языка высокого уровня

значение переменной x так же оказывается предопределенным, и

5 8

Радиолюбитель – 03/2010

for (;;)

for (;;){

{

// уровень операторов цикла

// уровень операторов цикла

}

}

for(;;)

for(;;){

{

while (x){

while (x)

if (x){

{

a = x *2;

if (x)

}else{

{

a = x + 2;

a = x *2;

}

}

}

else

}

{

a = x + 2;

}

}

}