STM32嵌入式开发中常见的12个C语言编程问题与代码解析

在 STM32 等嵌入式系统开发中，扎实的C语言功底是基石。以下梳理了面试或实际工作中高频出现的C语言问题，并附上代码示例与解析，帮助开发者查漏补缺。

1. 预处理指令 #define 的运用

如何用预处理指令#define声明一个常量，用以表示1年中的秒数（忽略闰年）？

#define  SECONDS_PER_YEAR  (60 * 60 * 24 * 365)UL

解析：计算过程使用预处理器，而非运行时计算，效率更高。末尾的UL表示无符号长整型，确保常量在特定平台上的类型正确性。

如何编写一个标准宏MIN，用于返回两个参数中的较小值？

#define  MIN(A,B) ((A) <= (B) ? (A):(B))

解析：宏定义中的每个参数都必须用括号括起来，以防止运算符优先级导致的意外错误。整个表达式也需要括号，确保宏作为一个整体使用时的正确性。

预处理器标识#error的目的是什么？

#error : 停止编译并显示错误信息

解析：当预处理器遇到#error指令时，会强制中止编译过程，并输出其后的错误信息。常用于检查不满足的编译条件，如特定的宏定义或版本要求。

2. 嵌入式系统中的无限循环

嵌入式系统中经常需要无限循环，如何使用C语言编写死循环？

如上图所示，常见的三种写法为：

• while(1) {…}
• do {…} while(1)
• for(;;) {…}

3. 变量与指针的定义

请用变量a给出以下定义：

• 整型数：int a;
• 指向整型数的指针：int *a;
• 指向指针的指针，它指向的指针指向整型数：int **a;
• 有10个整型数的数组：int a[10];
• 有10个指针的数组，它的指针指向整型数：int *a[10];
• 指向有10个整型数的数组的指针：int (*a)[10];
• 指向函数的指针，该函数有一个整型参数，并返回一个整型数：int (*a)(int);

4. static关键字的作用

static关键字在C语言中主要有三个作用：

1. 在函数体内：修饰局部变量，使其生命周期变为整个程序运行期，但作用域不变（仅函数内可见），实现函数调用间的状态保持。
2. 在模块内（.c文件内）：修饰全局变量，使其作用域仅限于本模块（文件），无法被其他模块的文件访问。
3. 在模块内：修饰函数，使其作用域仅限于本模块，成为该模块的“私有”函数。

5. const关键字的作用

const关键字用于定义只读变量，其主要作用包括：

1. 定义只读常量：明确告知编译器和其他程序员，此变量的值不应被修改。
2. 提高代码灵活性：配合指针使用，可以更精细地控制数据的可修改性。
3. 提供编译期保护：编译器会阻止试图修改const修饰参数的代码，防止无意的误操作。

const与指针结合的几种经典定义：

• const int a; / int const a;：a是整型常量。
• const int *a;：a是指向整型常量的指针（指针可变，指向的数据不可变）。
• int * const a;：a是指向整型的常量指针（指针不可变，指向的数据可变）。
• const int * const a;：a是指向整型常量的常量指针（指针和指向的数据都不可变）。

6. volatile关键字的作用与实例

volatile用于修饰变量，告知编译器该变量的值可能会被程序未知的因素改变（如硬件寄存器、操作系统中断、多线程共享）。优化器在每次使用该变量时，都必须从内存中重新读取其值，而不是使用寄存器中暂存的副本。

需要定义为volatile的变量场景示例：

1. 并行设备的硬件寄存器（如状态寄存器）。
2. 一个中断服务程序中会访问到的非自动变量（即全局变量）。
3. 多任务或多线程应用中，被多个任务共享的变量。

7. 嵌入式系统位操作

嵌入式系统经常需要对硬件寄存器或变量进行位操作。例如，如何置位和清零一个变量的某一位？

#define BIT3 (0x08 << 3) // 定义第3位为1
static int a;

void set_bit3() {
    a |= BIT3; // 将a的第3位置1
}

void clear_bit3() {
    a &= ~BIT3; // 将a的第3位清零
}

8. 访问特定内存地址

有时需要直接访问特定的物理内存地址。例如，如何设置绝对地址0x67a9处的整型变量的值为0xaa66？

int *ptr = NULL;
ptr = (int *) 0x67a9; // 将指针指向绝对地址
*ptr = 0xaa66; // 向该地址写入数据

9. 中断服务程序（ISR）注意事项

中断是嵌入式系统的核心机制之一。当中断事件发生时，CPU暂停当前程序，转去执行中断服务程序（ISR），执行完毕后再返回。

在编写ISR时，需遵循以下规范：

1. 不能有返回值：ISR应被声明为void类型。
2. 不能传递参数：ISR没有参数列表。
3. 应保持短小精悍：避免在ISR中进行复杂的浮点运算，因为可能涉及上下文保存，效率低下且行为不确定。
4. 避免调用不可重入函数：例如printf()，它通常有重入性和性能问题，不应当在ISR中调用。

10. 有符号与无符号整型的隐式转换

下面这段代码的输出结果是什么？

void foo(void) {
    unsigned int a = 6;
    int b = -20;
    (a + b > 6) ? puts(" > 6 ") : puts(" <= 6 ");
}

解析：当表达式中同时存在有符号和无符号类型时，C语言标准规定，所有操作数会被自动转换为无符号类型。因此，-20会被转换成一个很大的无符号整数。(a + b)的结果远大于6，所以最终输出为 “ > 6 ”。

11. 动态内存分配

在支持动态内存的嵌入式环境中，基本的分配与释放操作如下：

int *p = NULL;
p = (int *)malloc(sizeof(int) * 128); // 申请128个int大小的内存
free(p); // 使用完毕后释放内存
p = NULL; // 建议将指针置NULL，防止野指针

注意：在资源受限的嵌入式系统中，动态内存分配需谨慎，需注意内存泄漏和碎片问题。

12. typedef 与 #define 定义指针类型的区别

typedef用于为现有类型创建别名。在定义指针类型时，它与#define有显著区别。

#define dPS struct s *
typedef struct s * tPS;

dPS p1, p2; // 等价于 struct s * p1, p2;  (p1是指针，p2是结构体变量)
tPS p3, p4; // 正确定义了两个结构体指针 p3 和 p4

解析：#define是简单的文本替换，dPS p1, p2;被展开为struct s * p1, p2;，这导致只有p1是指针，p2是一个结构体变量。而typedef创建了一个完整的新类型别名tPS，因此tPS p3, p4;明确定义了两个指针。

掌握这些C语言核心知识点，是进行高效、稳定嵌入式开发的前提。希望这份梳理能帮助大家巩固基础。如果你想深入探讨更多嵌入式或预处理器相关的技术细节，欢迎来云栈社区交流分享。