测试模板到内存位置以替换嵌入式系统中的定义

Question

在嵌入式系统中，您通常有一个内存位置，它不在程序内存本身内，而是指向一些硬件寄存器。大多数 C SDK 将这些作为#define 语句提供。根据以下文章，https://arne-mertz.de/2017/06/stepping-away-from-define/ 一种从 #define 语句（由 C SDK 使用）转换为对 C++ 更友好的方法是创建一个强制 reinterpret_cast 在运行时发生的类。

我试图以稍微不同的方式来解决这个问题，因为我希望能够为不同的指针创建“类型特征”。让我用一个例子来说明。

#define USART1_ADDR 0x1234
#define USART2_ADDR 0x5678

template <typename T_, std::intptr_t ADDR_>
class MemPointer {
public:
    static T_& ref() { return *reinterpret_cast<T_*>(ADDR_); }
};

class USART {
public:
    void foo() { _registerA = 0x10; }

private:
    uint32_t _registerA;
    uint32_t _registerB;
};

using USART1 = MemPointer<USART, USART1_ADDR>;
using USART2 = MemPointer<USART, USART2_ADDR>;

template <typename USART_>
class usart_name;

template <>
class usart_name<USART1> {
public:
    static constexpr const char* name() { return "USART1"; }
};

template <>
class usart_name<USART2> {
public:
    static constexpr const char* name() { return "USART2"; }
};

此示例中的每个 USART“实例”都是其自己的唯一类型，因此我能够创建特征，允许在编译时“查找”有关 USART 实例的信息。

这实际上似乎工作，但是，我想创建一些测试代码如下

static USART testUsart;

#define TEST_USART_ADDR (std::intptr_t)(&testUsart);

using TEST_USART = MemPointer<USART, TEST_USART_ADDR>;

失败并出现以下错误：

从指针类型'USART*'到算术类型的转换 'intptr_t' {aka 'long long int'} 在常量表达式中

我相信我根据Why is reinterpret_cast not constexpr?了解问题的根源

我的问题是，有没有办法让我的 MemPointer 模板也适用于上面的测试代码？

编辑

一种解决方案是为每个“实例”设置一个单独的类

class USART1 : public USART {
public:
    static USART& ref() { return *reinterpret_cast<USART*>(USART1_ADDR); }
};

class USART2 : public USART {
public:
    static USART& ref() { return *reinterpret_cast<USART*>(USART2_ADDR); }
};

我更喜欢某种模板+使用组合，但我不需要编写一堆类。但也许这是唯一的选择。

Answer 1

有没有办法让我的 MemPointer 模板也适用于上面的测试代码？

你可以停止坚持地址是intptr_t。无论如何，您都要把它转换成一个指针，那么为什么不只允许存在该转换的任何类型呢？

template <typename T_, typename P, P ADDR_>
class MemPointer {
public:
    static T_& ref() { return *reinterpret_cast<T_*>(ADDR_); }
};

using USART1 = MemPointer<USART, std::intptr_t, USART1_ADDR>;
using USART2 = MemPointer<USART, std::intptr_t, USART2_ADDR>;

static USART testUsart;
using TEST_USART = MemPointer<USART, USART*, &testUsart>;

---

后续说明：

• 如果这是供其他人使用的库，我会考虑在 MemPointer 中添加一个 static_assert(std::is_trivial_v<T_>) 以捕获烦人的错误

• 围绕填充和对齐等问题存在一些潜在问题，但我假设您知道您的特定嵌入式平台在做什么

• 您应该对您的注册成员或整个对象进行 volatile 限定（例如，您可以从 MemPointer::ref 返回 std::add_volatile_t<T_>&）

  这样编译器就知道每次写入都是可观察到的副作用（即，即使您的程序从不回读，硬件也可以观察到），并且每次读取都可能产生不同的值（因为硬件可以更新即使你的程序没有）。