一篇学会单片机中 Volatile 的应用-单片机volatile用法

一、简述

一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。简单来说，如果这变量很重要，且你不想它被编译器优化，就用volatile修饰。

二、用处

关于编译器优化

如果你在编译器器开了优化，那么就要小心了。以下代码使用IAR7.20，优化等级High，选Balanced。main函数的主循环如下：

while (1)
  {
    Delay_ms(500);
    LCD_refresh_flg = 0;
    Delay_ms(500);
    if(LCD_refresh_flg){
      LCD_refresh_flg = 0;
      LCD_ShowString(0,13,"receive_data");
    }
  }

其中LCD_refresh_flg变量在串口中断中

void USART1_IRQHandler(void)
{
  if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC))
  {
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);
  }
  if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE))
  {
    LCD_refresh_flg = 1;
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE);
  }
}

其中延时函数如下：

/**
  * @brief  Inserts a delay time.
  * @param  nTime: specifies the delay time length, in 10 ms.
  * @retval None
  */
void Delay_ms(uint32_t nTime)
{
  TimingDelay = nTime;

  while(TimingDelay != 0);
}

/**
  * @brief  Decrements the TimingDelay variable.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void TimingDelay_Decrement(void)
{
  if (TimingDelay != 0x00)
  { 
    TimingDelay--;
  }
}
/**
  * @brief  This function handles SysTick Handler.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SysTick_Handler(void)
{
  TimingDelay_Decrement();
}

这是简单的示例代码(为了说明问题，实际项目开发应该没有类似的代码)，代码设计的意图是串口收到数据，LCD显示字符串。但debug时如下：

在单步执行时，第85行代码被直接跳过了，且在85行也无法打断点。查看反汇编代码，确认第85,87,88,89代码直接被编译器优化没了。

可能编译器在想，在85行将LCD_refresh_flg变量清零，而86行代码量又不大，所以认为87行的if条件不成立，这全部优化掉了。编译器完全没有想到我们的延时长达500ms，且在串口中断中会将LCD_refresh_flg置1，这完全违背我们的设计意图。

如果我们将LCD_refresh_flg使用volatile修饰，volatileuint8_t LCD_refresh_flg;在编译器不变，优化等级不变时，运行如下：

虽然编译器和优化等级都是一样的，但是这个时候，不再优化LCD_refresh_flg变量。

当然这是编译优化的结果，并不是说，在main函数的主循环的先对变量清零，再后边判断变量就会被编译器优化。如下代码，LCD_refresh_flg没有使用volatile修饰。

此时LCD_ShowString函数是代码量很大的函数，这个时候编译器就不敢轻易优化LCD_refresh_flg变量了。希望大家能从这个例子中理解volatile对编译优化的影响。

关于访问硬件

存储器映射的硬件寄存器通常也要加voliate，因为每次对它的读写都可能有不同意义。例如：假设要对一个设备进行初始化，此设备的某一个寄存器为0xff800000。(例子仅为说明问题，不具有实战意义)

int *output = (unsigned int *)0xff800000;//定义一个IO端口；
int init(void)
{
  int i;
  for(i=0;i< 10;i++){
    *output = i;
  }
}

经过编译器优化后，编译器认为前面循环半天都是废话，对最后的结果毫无影响，因为最终只是将output这个指针赋值为9，所以编译器最后给你编译编译的代码结果相当于：

int init(void)
{
    *output =9;
}

这明显是不符合我们的设计意图的。

不仅仅是写操作，读操作亦是如此。如果你需要反复读取一个寄存器的值，那么编译器在优化只有读取1次。这时候就该使用volatile通知编译器在遇到此变量时候不要优化。在这里多说一句，我们这里说的是编译器，且是嵌入式方面的，不同的编译器会有不同结果，所以上面的例子并非是在不同的编译器必现的。但是在嵌入式领域反复访问硬件寄存器，加上volatile是有必要的。

中断服务程序

在断服务程序中修改的供其它程序检测的变量，需要加volatile，中断是会突然发生的，当变量在触发某中断程序中修改，而编译器判断主函数里面没有修改该变量，因此可能只执行一次从内存到某寄存器的读操作，而后每次只会从该寄存器中读取变量副本，使得中断程序的操作被短路。加上volatile修饰，内核每次都会小心的从该变量存储的内存中重新读取数据，而不是从已经加载到内核寄存器中的值。

RTOS系统下需要注意

这个问题本质上和上一个是一样的，都是为了防止内核从寄存器中读取变量的值，而不是从变量存储的内存读取。特别是具有抢占属性的RTOS，本质上也是中断时，紧急的任务立即打断了正在执行的任务，“类似”于中断。

如果有同学了解RTOS的话，可以想一下RTOS的临界区的概念，都是为了保护变量。这里不再对RTOS进行详述。如果有同学了解Linux的话，那就更好了，volatile的作用和linux的原子操作是差不过的。这里也不再详述，只是发散一下思维。

三、volatile问题

volatile在面试中是非常容易见到的，下面总结一下常见的：

1.一个参数既可以是const还可以是volatile吗?可以的，例如只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。

2.一个指针可以是volatile吗?可以，当一个中服务子程序修改一个指向buffer的指针时。

3.下面的函数有什么错误?

int square(volatile int*ptr)
{
    return*ptr * *ptr;
}

该程序的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码：

int square(volatile int*ptr)
{
    int a,b;
    a = *ptr;
    b = *ptr;
    return a * b;
}

由于*ptr的值可能被意想不到地改变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返回不是你所期望的平方值!正确的代码如下：

long square(volatile int*ptr)
{
    int a;
    a = *ptr;
    return a * a;
}

注意：频繁地使用volatile很可能会增加可执行文件的大小和降低性能，因此要合理的使用volatile，不能滥用volatile。

四、总结

volatile 关键字是一种类型修饰符，它的总结如下：

使用volatile关键字修饰的变量，可以避免编译器优化，遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

使用volatile关键字修饰的变量，每次都是重新读取内存中的值，而不是使用保存在寄存器里的值了;在中断，RTOS，硬件访问多用到。

频繁地使用volatile很可能会增加可执行文件的大小和降低性能，因此要合理的使用volatile，不能滥用volatile。

嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题，所以在嵌入式应用中这些要求使用volatile变量。不懂得volatile的话可能将会带来灾难。