Wie erzwinge ich ein unbenutztes Speicherlesen in C, das nicht wegoptimiert wird?

Question 1

Mikrocontroller erfordern häufig das Lesen eines Registers, um bestimmte Statusbedingungen zu löschen. Gibt es eine portable Methode in C, um sicherzustellen, dass ein Lesevorgang nicht wegoptimiert wird, wenn die Daten nicht verwendet werden? Reicht es aus, dass der Zeiger auf das speicherabgebildete Register als flüchtig deklariert ist? Mit anderen Worten, würde Folgendes immer auf standardkonformen Compilern funktionieren?

void func(void)
{
   volatile unsigned int *REGISTER = (volatile unsigned int *) 0x12345678;

   *REGISTER;
}

_{Ich verstehe, dass der Umgang mit Funktionen wie dieser zu Compiler-abhängigen Problemen führt. Meine Definition von tragbar ist in diesem Fall also etwas locker. Ich meine nur, dass es mit den gängigsten Toolchains so weit wie möglich funktionieren würde.}

Question 2

Die Leute streiten ziemlich heftig darüber, was genau volatile meint. Ich denke, die meisten Leute stimmen darin überein, dass das Konstrukt, das Sie zeigen, war beabsichtigt zu tun, was Sie wollen, aber es gibt keine allgemeine Vereinbarung, dass die Sprache im C-Standard ist garantiert es eigentlich ab C99. (Möglicherweise hat sich die Situation in C2011 verbessert; das habe ich noch nicht gelesen.)

Eine nicht standardmäßige, aber von eingebetteten Compilern ziemlich weithin unterstützte Alternative, die möglicherweise eher funktioniert, ist

void func(void)
{
  asm volatile ("" : : "r" (*(unsigned int *)0x12345678));
}

(Das ‘volatile’ bezieht sich hier auf das ‘asm’ und bedeutet ‘dieses darf nicht gelöscht werden, obwohl es keine Ausgangsoperanden hat. Es ist nicht notwendig, es auch auf den Zeiger zu legen.)

Der größte verbleibende Nachteil dieses Konstrukts besteht darin, dass Sie immer noch keine Garantie dafür haben, dass der Compiler eine generiert eine Anweisung Speicher gelesen. Mit C2011 mit _Atomic unsigned int könnte ausreichen, aber in Ermangelung dieser Funktion müssen Sie so ziemlich selbst einen echten (nicht leeren) Montageeinsatz schreiben, wenn Sie diese Garantie benötigen.

BEARBEITEN: Heute Morgen ist mir noch eine Falte aufgefallen. Wenn das Lesen aus dem Speicherplatz den Nebeneffekt hat, dass der Wert an diesem Speicherplatz geändert wird, müssen Sie

void func(void)
{
  unsigned int *ptr = (unsigned int *)0x12345678;
  asm volatile ("" : "=m" (*ptr) : "r" (*ptr));
}

um eine Fehloptimierung anderer Lesevorgänge von diesem Ort zu verhindern. (Um es 100 % klarzustellen, diese Änderung ändert nicht die Assemblersprache, für die generiert wird func selbst, kann aber die Optimierung des umgebenden Codes beeinträchtigen, insbesondere wenn func ist eingebettet.)

Question 3

Ja, der C-Standard garantiert, dass Code, der auf eine flüchtige Variable zugreift, nicht wegoptimiert wird.

C11 5.1.2.3/2

“Zugriff auf ein flüchtiges Objekt, ” … “sind alles Nebeneffekte”

C11 5.1.2.3/4

“Eine tatsächliche Implementierung muss einen Teil eines Ausdrucks nicht auswerten, wenn daraus abgeleitet werden kann, dass sein Wert nicht verwendet wird und dass keine erforderlichen Nebenwirkungen erzeugt werden (einschließlich solcher, die durch den Aufruf einer Funktion oder den Zugriff auf ein flüchtiges Objekt verursacht werden).”

C11 5.1.2.3/6

„Die Mindestanforderungen an eine konforme Implementierung sind:

— Zugriffe auf flüchtige Objekte werden streng nach den Regeln der abstrakten Maschine ausgewertet.”

Question 4

IIRC, der C-Standard ist ein bisschen locker in der Definition der Verwendung, so die *REGISTER wird nicht unbedingt so interpretiert, als würde man a tun lesen.

Aber folgendes sollte reichen:

int x = *REGISTER;

Das heißt, das Ergebnis der Speicherreferenz muss irgendwo verwendet werden. Das x muss jedoch nicht volatil sein.

AKTUALISIEREN: Um die Warnung der _unused-Variablen zu vermeiden, könnten Sie eine No-Op-Funktion verwenden. Eine statische und/oder Inline-Funktion sollte ohne Laufzeiteinbußen wegoptimiert werden:

static /*inline*/ void no_op(int x)
{ }

no_op(*REGISTER);

AKTUALISIERUNG 2: Mir ist gerade eine nettere Funktion eingefallen:

static unsigned int read(volatile unsigned int *addr)
{
    return *addr;
}

read(REGISTER);

Nun kann diese Funktion sowohl für Read-and-Use als auch für Read-and-Discard verwendet werden. 😎

Question 5

Vielleicht werden GNU C-spezifische Erweiterungen nicht als sehr portabel angesehen, aber hier ist eine andere Alternative.

#define read1(x)  \
({ \
  __typeof(x) * _addr = (volatile __typeof(x) *) &(x); \
  *_addr; \
})

Dies wird in die folgende Assembler-Zeile übersetzt (kompiliert mit gcc x86 und optimiert mit -O2):
movl SOME_REGISTER(%rip), %eax?

Ich bekomme den gleichen Assembler von:

inline read2(volatile uint32_t *addr) 
{ 
   return *addr; 
}`

… wie in einer anderen Antwort vorgeschlagen, aber read1() verarbeitet unterschiedliche Registergrößen. Auch wenn ich nicht sicher bin, ob ich es verwenderead2() mit 8- oder 16-Bit-Registern jemals ein Problem darstellen, es gibt zumindest keine Warnungen zum Parametertyp.

Question 6

Compiler optimieren normalerweise keine Assembly-Inlines (es ist schwierig, sie richtig zu analysieren). Darüber hinaus scheint es eine geeignete Lösung zu sein: Sie möchten eine explizitere Kontrolle über die Register und es ist natürlich für die Montage.

Da Sie einen Mikrocontroller programmieren, gehe ich davon aus, dass Ihr Code bereits Assembler enthält, sodass ein bisschen Inline-Assembler kein Problem darstellt.