在嵌入式系统中使用全局变量

我开始为产品编写固件，我是这里的新手。我浏览了许多关于不使用全局变量或函数的文章。在8位系统中使用全局变量是否有任何限制，还是完整的“否”。如何在系统中使用全局变量，或者应该完全避免使用全局变量？

我想就此主题向大家提出宝贵的建议，以使我的固件更紧凑。

只要牢记@Phil的准则，就可以成功使用全局变量。但是，这里有一些不错的方法来避免它们的问题，而不会使编译后的代码紧凑。

1. 将局部静态变量用于只需要在一个函数内部访问的持久状态。

   #include <stdint.h>
   void skipper()
   {
       static uint8_t skip_initial_cycles = 5;
       if (skip_initial_cycles > 0) {
           skip_initial_cycles -= 1;
           return;
       }
       /* ... */
   }

2. 使用结构将相关变量保持在一起，以使其更清楚地在何处使用和不应该使用它们。

   struct machine_state {
        uint8_t level;
        uint8_t error_code;
   } machine_state;
   
   struct led_state {
       uint8_t red;
       uint8_t green;
       uint8_t blue;
   } led_state;
   
   void machine_change_state()
   {
       machine_state.level += 1;
       /* ... */
       /* We can easily remember not to use led_state in this function. */
   }
   
   void machine_set_io()
   {
       switch (machine_state.level) {
       case 1:
           PIN_MACHINE_IO_A = 1;
           /* ... */
       }
   }

3. 使用全局静态变量使变量仅在当前C文件中可见。这样可以防止由于命名冲突而导致其他文件中的代码意外访问。

   /* time_machine.c */
   static uint8_t current_time;
   /* ... */
   
   /* delay.c */
   static uint8_t current_time; /* A completely separate variable for this C file only. */
   /* ... */

最后一点，如果要在中断例程中修改全局变量并在其他地方读取它：

• 标记变量volatile。
• 确保它对于CPU是原子的（即对于8位CPU是8位）。

要么

• 使用锁定机制来保护对变量的访问。

您不想在8位系统中使用全局变量的原因与您不想在任何其他系统中使用全局变量的原因相同：它们使对程序行为的推理变得困难。

只有糟糕的程序员才会挂在“不要使用全局变量”之类的规则上。好的程序员了解规则背后的原因，然后将规则更像是准则。

您的程序容易理解吗？它的行为可以预测吗？是否容易修改其中的一部分而不破坏其他部分？如果对每个问题的回答都是肯定的，那么您就在准备好的程序上。

您不应该完全避免使用全局变量（简称“全局变量”）。但是，您应该明智地使用它们。过度使用全局变量的实际问题：

• 全局变量在整个编译单元中可见。编译单元中的任何代码都可以修改全局代码。修改的结果可能会出现在评估此全局变量的任何地方。
• 结果，全局变量使代码更难以阅读和理解。程序员必须始终牢记评估和分配全局变量的所有位置。
• 过多使用全局变量会使代码更容易出现缺陷。

将前缀添加g_到全局变量的名称是一个好习惯。例如，g_iFlags。当您在代码中看到带有前缀的变量时，您会立即意识到它是全局变量。

嵌入式工作中全局数据结构的优点是它们是静态的。如果您需要的每个变量都是全局变量，那么在输入函数并在堆栈上为它们腾出空间时，您绝不会意外耗尽内存。但是，那时候为什么要有功能呢？为什么不提供一个能够处理所有逻辑和流程的大型函数-像不允许GOSUB的BASIC程序。如果您对这个想法有足够的了解，您将拥有一个典型的1970年代汇编语言程序。高效，不可能维护和排除故障。

因此，请谨慎使用全局变量，例如状态变量（例如，是否每个函数都需要知道系统是否处于解释或运行状态）以及许多函数都需要查看的其他数据结构，就像@PhilFrost所说的那样，您的功能可预测？是否有可能用永不结束的输入字符串填充堆栈？这些是算法设计的问题。

请注意，static在函数内部和外部具有不同的含义。 /programming/5868947/difference-between-static-variable-inside-and-outside-of-a-function

/programming/5033627/static-variable-inside-of-a-function-in-c

全局变量仅应用于真正的全局状态。仅当只能有一个“地图的北边界”时，使用全局变量来表示诸如地图北边界的纬度之类的内容。如果将来代码可能必须与具有不同北部边界的多个地图一起使用，则可能需要对使用针对北部边界使用全局变量的代码进行重新设计。

在典型的计算机应用程序中，通常没有特殊的理由认为某物永远不会超过一种。但是，在嵌入式系统中，这样的假设通常更为合理。虽然可能会调用典型的计算机程序来支持多个同时用户，但典型的嵌入式系统的用户界面将设计为由单个用户与其按钮和显示进行交互来进行操作。这样，它将在任何时候具有单个用户界面状态。设计系统以使多个用户可以与多个键盘和显示器进行交互，这比为单个用户设计系统要复杂得多，并且实现时间要长得多。如果从不要求系统支持多个用户，为促进这种使用而投入的任何额外努力将被浪费。除非可能需要多用户支持，否则比花额外的时间添加多用户支持（可能永远不需要）。

嵌入式系统的一个相关因素是，在许多情况下（尤其是涉及用户界面），支持具有多个功能的唯一实用方法是使用多个线程。在没有其他对多线程的需求的情况下，使用简单的单线程设计可能比使用真正不需要的多线程来增加系统复杂性更好。如果要添加多个功能，则无论如何都需要重新设计庞大的系统，也不需要重新使用某些全局变量就可以了。

许多人对此主题感到困惑。全局变量的定义为：

可以从程序中的任何地方访问的东西。

这与文件范围变量不同，后者由关键字声明static。这些不是全局变量，它们是局部私有变量。

 int x; // global variable
 static int y; // file scope variable

 void some_func (void) {...} // added to demonstrate that the variables above are at file scope.

您应该使用全局变量吗？在某些情况下还可以：

• 只读变量可能是全局变量。相关帖子，其中包含有关该主题的详细信息
• 与您的MCU寄存器映射相对应的硬件寄存器可能是全局的。

在任何其他情况下，您永远都不要使用全局变量。从来没有理由这样做。而是使用文件作用域变量，这是完全可以的。

您应该努力编写旨在完成特定任务的独立的自治代码模块。在这些模块内，内部文件范围变量应作为私有数据成员驻留。这种设计方法被称为面向对象，被广泛认为是好的设计。