内存映射 IO 和 GCC 优化

Question

我一直在搞乱剑桥烘焙 pi 教程（基本 OS 开发，带有一些树莓派的小演示）。只有我一直在用 C 编写代码。我已经设置好开发环境，并且可以在关闭但未打开 GCC 优化的情况下成功运行我的代码。

问题出现在我使用内存映射 IO 的代码中（如果我编译除以下文件之外的所有其他内容并进行优化，它就可以工作）。我最初认为是我的指针没有被声明为易失性，因此编译器正在优化对内存的实际写入并改用寄存器。但即使我将它们声明为 volatile，问题仍然存在。

这是我写内存的方法：

#define UART0_CR ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x30))
...
*UART_CR = 0;

指针是 volatile 类型，所以我不明白为什么 GCC 会决定不进行实际写入。还有什么我需要注意的吗？我对 volatile 的使用有误解吗？

完整的工作文件（无论如何都关闭了优化）：

#include <stdint.h>
#include <uart.h>

#define GPIO_BASE   0x20200000
#define GPPUD       ((volatile uint32_t *) (GPIO_BASE + 0x94))
#define GPPUDCLK0   ((volatile uint32_t *) (GPIO_BASE + 0x98))

#define UART0_BASE      0x20201000
#define UART0_DR        ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x00))
#define UART0_FR        ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x18))
#define UART0_IBRD      ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x24))
#define UART0_FBRD      ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x28))
#define UART0_LCRH      ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x2C))
#define UART0_CR        ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x30))
#define UART0_IMSC      ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x38))
#define UART0_ICR       ((volatile uint32_t *) (UART0_BASE + 0x44))

static void delay(int32_t count) {
    asm volatile("__delay%=: subs %[count], %[count], #1; bne __delay%=\n"
                :
                : [count]"r"(count) 
                : "cc"
    );
}

void uart_init() {    
    *UART0_CR = 0; // Disable UART0.    
    *GPPUD = 0;     // Disable pull up/down for all GPIO pins & delay for 150 cycles.
    delay(150);   
    *GPPUDCLK0 = (1 << 14) | (1 << 15); // Disable pull up/down for pin 14,15 & delay for 150 cycles.
    delay(150);   
    *GPPUDCLK0 = 0; // Write 0 to GPPUDCLK0 to make it take effect.    
    *UART0_ICR = 0x7FF; // Clear pending interrupts.
    *UART0_IBRD = 1; //Set rate
    *UART0_FBRD = 40;     
    *UART0_LCRH = (1 << 4) | (1 << 5) | (1 << 6); // Enable FIFO & 8 bit data transmissio (1 stop bit, no parity).    
    *UART0_IMSC = (1 << 1) | (1 << 4) | (1 << 5) | (1 << 6) | (1 << 7) | (1 << 8) | (1 << 9) | (1 << 10); // Mask all interrupts.   
    *UART0_CR = (1 << 0) | (1 << 8) | (1 << 9);  // Enable UART0, receive & transfer part of UART.  
}

void uart_putc(uint8_t byte) {    
    while (1) { // wait for UART to become ready to transmit    
        if (!(*UART0_FR & (1 << 5))) break;
    }   
    *UART0_DR = byte; // Transmit
}

void uart_puts(const char *str) {
    while (*str) {
        uart_putc(*str++);
    }
}

编辑：

查找了如何查看程序集，非常有用，谢谢。如果我从 uart i init 中取出前 2 次写入（直到第一次延迟调用），我得到：

未优化：

uart_init:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 0
    @ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
    stmfd   sp!, {fp, lr}
    add fp, sp, #4
    ldr r3, .L3
    mov r2, #0
    str r2, [r3, #0]
    ldr r3, .L3+4
    mov r2, #0
    str r2, [r3, #0]

优化：

uart_init:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 0
    @ frame_needed = 0, uses_anonymous_args = 0
    @ link register save eliminated.
    ldr r3, .L2
    ldr r2, .L2+4
    mov r1, #0
    str r1, [r3, #48]
    str r1, [r2, #148]

唯一的区别似乎是对于未优化的，它不会向 .L2 和 .L2+4 标签添加偏移量，而优化的标签会这样做。除非这些标签上的指针已经准备好在它们上面计算偏移量。

我有一个分叉的 qemu (qemu-rpi) 为支持树莓派而修改，所以我将尝试检查 r3 和 r2 寄存器中加载了哪些值，以查看它们是否是正确的指针，然后再进行存储和然后我要检查putc是否使用断点在传输上循环。对我的环境还不是很熟练，所以这可能需要我一段时间！

Answer 1

将优化器与与硬件对话的代码一起使用可能会导致奇怪的行为。

尝试在与您的硬件通信的函数前面使用__attribute__((noinline))。我还建议将所有与硬件对话的代码放入自己的文件中并关闭优化。优化器可以对这些项目重新排序或内联。

Answer 2

我正在尝试完成同样的事情 但我没有定义，而是像这样分配：

volatile const int *Register = (volatile const int *)0xFFFEF000;

然后你可以通过名称直接将值发送到寄存器：

Register = 0xFFFFFFFF;