在裸机控制器上的不同上下文中在 int 变量中设置一个标志

Question

对于 avr 8 位微控制器，必须在某些 8 位整数变量中设置或清除单个位（标志）。这个设置/清除函数可以从普通上下文（ main ）和中断处理程序（ Isr() ）中调用。因此，必须将变量设置为volatile 以防止它重新排序或将其保存在寄存器中的某个位置。 std::atomic 在这里不是一个有效的选项，因为没有底层操作系统，也没有多 cpu 内核，也没有缓存，所以不需要某种内存栅栏。甚至 std::atomic 也不是任何 avr c++ 库的一部分。

设置标志的操作类似于： some_flags|= new_set_flags。

但是c++20 我收到警告：warning: compound assignment with 'volatile'-qualified left operand is deprecated [-Wvolatile]。

使用临时变量重写函数是没有问题的，但感觉这不是在这种情况下不推荐使用 volatile 关键字的意图。

顺便说一句：由于变量存储在 RAM 中，cpu 无法在单个汇编指令中设置内存中的位。因此，整个操作必须是原子的。对于那个用例，avr-lib 有ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE)，它只是禁用中断。

#include <util/atomic.h>

volatile uint8_t some_flags;

void SetFlag( uint8_t new_set_flags )
{
    ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) 
    {   
        uint8_t tmp = some_flags;
        tmp |= new_set_flags;
        some_flags = tmp;

        ... vs ...

        some_flags|= new_set_flags; // main.cpp:65:19: warning: compound assignment with 'volatile'-qualified left operand is deprecated [-Wvolatile]
    }   
}

void SomeIsr()
{
    SetFlag( 0x02 );
}

int main()
{
    SetFlag( 0x01);
}

问题：如果此标志/变量在没有 OS 或 MMU 的单核裸机控制器的不同上下文中使用，那么将标志设置为 int 变量的“正确”方法是什么。

如果你想在一个 IO 寄存器上设置一个位，就像PORTA|=0x01; 一样，编译器可以在单个汇编指令中执行该操作。

#include <avr/io.h>

int main()
{
    PORTA|=0x01; // main.cpp:57:10: warning: compound assignment with 'volatile'-qualified left operand is deprecated [-Wvolatile]
}

0000006c <main>:
  6c:   d8 9a           sbi 0x1b, 0 ; 27
  6e:   90 e0           ldi r25, 0x00   ; 0
  70:   80 e0           ldi r24, 0x00   ; 0
  72:   08 95           ret

Answer 1

基本原理是复合赋值或前后递增或递减即使在 volatile 变量上也不是原子的，而程序员可以将其视为单个操作。此外，标准规定 E1 op= E2 与 E1 = E1 op E2 相同，只是 E1 只计算一次。

这意味着不谨慎的程序员可以使用

volatile uint8_t some_flags;
...
some_flags|= new_set_flags;

期望它是原子的，即使在硬件中断的情况下也不需要这样做。

在机器级别，它看起来像 3 个操作：

load value from memory
update accumulator register
store value to memory

这意味着如果没有更多的预防措施，如果 2 个执行线程（这里是正常处理和一个 ISR）交错，就会发生竞争条件：

normal loads
! ISR takes the processor
ISR loads updates and stores
! return from ISR
normal updates and stores erasing the change from ISR

当程序使用临时变量时，很明显可能会发生竞争条件。

对您不利的是，C++ 委员会已弃用该用法，并打算稍后将其完全删除。

所以你可以：

• 在代码规范中添加它取决于允许对 volatile 变量进行复合赋值，并希望编译器会为其提供选项（即使不是很好也感觉合理）
• 添加与 C++17 兼容但不支持 C++20 及更高版本的代码规范
• 将其更改为编译为 C 代码（C++ 标准仍支持跨 C - C++ 链接）
• 写成some_flags = some_flags | new_set_flags;

我更喜欢最后一种方式，因为对于易失字节，编译器没有理由生成效率较低的代码，并且它从早期的 C 版本到最后的 C++ 版本都是一致的

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参考资料：

• P1152R4 Deprecating volatile Rev4: 当前版本
• P1152R4 Deprecating volatile Rev0：原始版本具有广泛的背景信息，主要是为什么要修改？部分