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嵌入式开发中，你需要了解的Naked函数

在嵌入式软件开发中，为了优化代码性能和节省系统资源，裸函数（也称为裸机函数）是一种非常重要的技术手段。裸函数是指在不使用任何运行库的情况下直接访问硬件和底层资源的函数，可以显著提高代码执行效率和可靠性。

然而，在编写裸函数时需要特别小心，因为裸函数需要手动管理寄存器和堆栈空间，而且不能使用局部变量和调用其他函数。这些问题对于初学者来说可能非常困难，因此，为了方便开发者编写裸函数，一些编译器提供了__attribute__((naked))函数。

attribute((naked))是GCC编译器提供的一个函数属性（function attribute），用于声明一个裸函数。在使用普通函数时，编译器会生成一些额外的代码来帮助程序员管理裸函数的寄存器和堆栈空间。下面我们将详细介绍__attribute__((naked))函数在嵌入式软件开发中的使用场景和注意事项。

Naked函数的使用场景

  1. 中断处理函数

在嵌入式系统中，中断处理函数是非常常见的裸函数。由于中断处理函数需要在最短的时间内响应中断请求并进行处理，因此它需要尽可能地减少代码执行时间和占用系统资源。使用__attribute__((naked))函数可以有效地优化中断处理函数的性能。

  1. 特殊硬件访问函数

在嵌入式系统中，有些硬件资源需要直接访问寄存器才能进行控制，例如定时器、GPIO等。这些硬件访问函数通常也是裸函数，并且使用__attribute__((naked))函数可以更好地管理它们的寄存器和堆栈空间。

  1. 自定义启动函数

在嵌入式系统中，启动函数是系统启动时第一个执行的函数。启动函数的主要作用是初始化系统，然后跳转到main函数。如果需要自定义启动函数，可以使用__attribute__((naked))函数来实现。

Naked函数在HardFault中的使用

attribute((naked))函数还可以用于实现HardFault函数的堆栈打印。在嵌入式系统中，HardFault是一种非常常见的错误类型，通常是由于堆栈溢出、指针错误或其他底层硬件问题引起的。为了调试这种错误，我们需要打印当前任务的堆栈信息，以便分析和解决问题。

在使用普通中断函数来实现HardFault堆栈打印和退出时，编译器会在函数出入口增加堆栈数据进出操作，这个时候我们就无法得到正确的堆栈指针信息。为了避免这种影响，我们需要编写一个名为HardFault_Handler的Naked函数，并在该函数中使用汇编语言来实现堆栈打印操作。下面是一个示例代码，展示了如何使用__attribute__((naked))函数来实现HardFault_Handler函数：

typedef struct
{
    uint32_t r0;
    uint32_t r1;
    uint32_t r2;
    uint32_t r3;
    uint32_t r12;
    uint32_t lr;
    uint32_t *pc;
    uint32_t psr;
} hw_stackframe_t;
void HardFault_Handler(void) __attribute__((naked));
void HardFault_Handler(void)
{
    // set up arguments and call _hardfault_isr
    asm("mov    r0, lr\n"  // arg 0
        "mrs    r1, psp\n" // arg 1
        "mrs    r2, msp\n" // arg 2
        "b      _default_isr\n");
}
static void _default_isr(uint32_t lr, void *psp, void *msp) __attribute__((used));
volatile uint32_t envHardfaultCnt = 0;
static void _default_isr(uint32_t lr, void *psp, void *msp)
{
    hw_stackframe_t *frame;
    // Find the active stack pointer (MSP or PSP)
    if (lr & 0x4)
        frame = psp;
    else
        frame = msp;
    PRINTF("R0 =%x\nR1 =%x\nR2 =%x\nR3 =%x\nR12=%x\nLR =%x\nPSR=%x\nPC =%x\n",
           frame->r0, frame->r1, frame->r2, frame->r3, frame->r12, frame->lr, frame->psr, frame->pc);
        /* Stay in hardfault function */
        while(1);
}

在此代码段中，首先定义了一个名为hw_stackframe_t的结构体，该结构体中包含了一系列寄存器的值，以及PC和PSR的值。这些寄存器是在发生HardFault中断时，被压入堆栈中的。

接下来定义了一个名为HardFault_Handler的函数，并使用__attribute__((naked))修饰它。这个修饰符告诉编译器不要在函数进入和退出时自动添加堆栈操作代码。这是为了确保在函数执行期间，堆栈指针始终指向正确的位置，以便可以正确访问堆栈中的数据。

在HardFault_Handler函数中，首先使用汇编指令将LR寄存器中的值作为第一个参数（arg0）传递给_hardfault_isr函数。接下来，将PSP寄存器中的值和MSP寄存器中的值作为第二个参数（arg1）和第三个参数（arg2）分别传递给_hardfault_isr函数。最后，使用汇编指令跳转到_hardfault_isr函数。

_hardfault_isr函数实现了具体的堆栈打印和退出操作。首先，通过检查LR寄存器的值，判断当前正在使用哪个栈（MSP或PSP）。然后，将指向堆栈顶部的指针强制转换为hw_stackframe_t类型，以便可以读取堆栈中的寄存器值。最后，将这些值打印到终端，以便进行调试。

最后，_hardfault_isr函数在执行完打印操作后，通过一个无限循环，使程序停留在HardFault中断函数中，从而防止在处理完HardFault后，继续执行其他代码，导致程序出现不可预知的错误。

Naked函数的注意事项

在使用__attribute__((naked))函数时，需要注意以下几个方面：

  1. naked函数需要手动管理寄存器和堆栈空间，因此需要非常小心地编写裸函数代码，以确保其正确性和可靠性。
  2. naked函数不能使用局部变量，因为编译器会在函数入口处分配和释放局部变量的存储空间，这可能会破坏裸函数的栈空间。如果需要使用变量，可以使用全局变量或静态变量，但是需要特别小心地管理它们的内存空间。
  3. naked函数不能调用其他函数，因为这可能会引入额外的堆栈和寄存器操作，从而破坏裸函数的执行效率和可靠性。
  4. naked函数的参数需要使用汇编语言的方式传递，例如通过堆栈或寄存器传递参数。

除了GCC编译器之外，一些嵌入式系统常用的编译器，如IAR和ARMCC也提供了__attribute__((naked))函数的支持。

在IAR编译器中，与GCC中的__attribute__((naked))相似，有一个__task关键字可以用来定义一个裸函数。

与GCC的裸函数不同，IAR的裸函数需要用__task关键字修饰函数声明。在函数声明时，需要使用__task关键字来指示编译器生成裸函数。

下面是一个使用IAR裸函数的示例：

#include <stdint.h>

__task void my_naked_function(void)
{
    // 函数体
}

在ARMCC编译器中，可以使用__attribute__((naked))关键字来声明裸函数，如下所示：

__attribute__((naked)) void my_naked_function();

__attribute__((naked)) void my_naked_function()
{
        // 函数题
}

需要注意的是，不同编译器的__attribute__((naked))函数语法略有不同，因此在编写裸函数时需要仔细查看编译器手册，以确保使用正确的语法。

总结

总之，attribute((naked))函数是嵌入式软件开发中非常重要的一个函数属性，可以帮助开发者更轻松地编写裸函数。在使用__attribute__((naked))函数时，需要注意裸函数的限制和注意事项，以确保程序的正确性和可靠性。

本文中部分内容为Chatgpt生成，在此处感谢人工智能。

最后更新于 2023-06-17 00:28:34 并被添加「」标签，已有 911 位童鞋阅读过。


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