ARTS 挑战打卡的第8天 ---volatile 关键字在MCU中的作用，四个实例讲解（Tips）

前言

（1）volatile 关键字作为嵌入式面试的常考点，很多人都不是很了解，或者说一知半解。
（2）可能有些人会说了，volatile 关键字不就是防止编译器优化的吗？有啥好详细讲解的？那么，我就反问一句，为什么要防止编译器优化，编译器优化什么？编译器优化之后会产生什么问题？
（3）今天我就来详细解答一下这些疑惑。

软件延时所造成的bug

（1）在初学51单片机的时候，我们都是使用软件延时，例如下面是STC89，12MHZ晶振的1ms的软件延时。
（2）有些人说，这样写延时可以啊，没有问题。但是，假如你在MSP430中这样写，一定会产生bug。你会发现，软件延时没效果。
（3）这个时候，有些人会告诉你，要让CCS的编辑优化等级降低然后就可以了。
（4）这是为什么呢？如下代码，编译会发现，这就是让两个变量进行自减，于是编译器自作主张，认为这是没有意义的代码，并且将其删除。于是，你看汇编代码会发现，这里没有进行自减操作。
（5）但是，如果你加上volatile 关键字，就会发现，软件延时能够正常运行。这个是为什么呢？volatile 关键字会告诉编译器，这个变量你没有权限动，你不要擅自主张的进行优化。
（6）因此，我们可以知道，volatile 关键字其实就是告诉编译器，不要对变量进行优化。

void Delay1ms()		//@12.000MHz
{
	unsigned char i, j;
	//加上volatile 关键字
	//volatile unsigned char i, j;
	
	i = 2;
	j = 239;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}

外设寄存器被异步修改所产生的bug

（1）假设我们现在有一个外设寄存器叫做ExternalDevice ，这个寄存器会自动减少，地址为0x1000。（例如定时器的计数器就会自己增加或减少）
（2）现在我们要等ExternalDevice 寄存器值变成0的时候，再进行一些操作。
（3）但是你实际跑的时候会发现，这个地方要么无法阻塞，要么永远阻塞。这是为什么呢？编译器是不知道ExternalDevice这个变量是一个寄存器的，也不知道他最终是怎么变化的。所以他就会认为，这个地方是一个不变的变量进行反复判断。他就会把while()这一行代码删除，认为是没有意义的。
（4）于是我们需要加上volatile 告诉编译器，这个东西你别动。

int main()
{
	//下面这三种写法是等价的
	//int volatile *ExternalDevice = (uint8_t volatile *)0x1000;  
	//volatile int *ExternalDevice = (uint8_t volatile *)0x1000; 
	//volatile int *ExternalDevice = (volatile uint8_t *)0x1000; 
    int *ExternalDevice = (uint8_t *)0x1000;  // 假设外设寄存器的地址是 0x1000
	while(*ExternalDevice == 0); //等待这个外设寄存器的值变成0再进行操作
}

全局变量在中断和正常运行的程序存在竞争问题

（1）比如群友给出一个这样的代码，发现一直无法实现点灯。感到非常的疑惑。
（2）这个地方就涉及到全局变量在中断和正常运行的程序存在竞争问题。我们会发现，中断程序和主函数里面都调用了全局变量a。但是，我们要知道，编译器是无法知道运行态的情况的，他只能够进行静态优化。
（3）比如这里，编译器他会认为，变量a的赋值是0。然后主函数里面的while()判断是判断他是否为0。这个时候，他无法查看到串口中断的情况，就会认为，你就是要进行一个死循环。所以，最终这个程序最终会卡死在while(a == 0);这里。
（4）因此我们要将a加上volatile 关键字。

多线程共享变量

（1）当我们上了操作系统之后，都是会跑多线程的。
（2）但是跑多线程，就会存在一个问题，我们很可能会让一个变量让多个线程之间共享。例如，下面我们需要创建两个线程，一个是GUI图像显示，一个是按键扫描。他们都需要共享要给变量key_num。这个时候，编译器无法知道key_num什么时候会进行改变，所以他可能就会想，既然我不知道，我就不要他。所以，我们需要加上volatile 关键字，告诉编译器，这里不要搞骚操作

uint8_t key_num;
//线程1
void GUI()
{
	while(1)
	{
		switch(key_num)
		{
			case key_short_down:
				//...
				break;
			case key_long_down:
				//...
				break;
			case key_up:
				//...
				break;
		}
	}
}
//线程2
void key_scanf()
{
	while(1)
	{
		if(key_Pin == HIGH) key_num = key_up;
		else if(key_time < 2000) key_num = key_short_down;
		else  key_num = key_short_down;
	}
}
void main()
{
	register_task(GUI);
	register_task(key_scanf);
	while(1);
}

总结

（1）volatile 关键字本质就是编译器防止优化。但是我们也要明白，为什么编译器会进行优化。知道这个以后，我们才能够更好的使用volatile 关键字。