Оптимизированный Доступ К Gpio. Или Gpio Как Класс Constexpr. С++

Добрый день жители Хабра.

Этот пост будет посвящен программированию на C++ и использованию объектов constexpr с целью повышения уровня удобства и одновременной оптимизации кода с точки зрения размера и производительности.

Работая над одним из проектов, я задумался: «можно ли сделать удобный доступ к портам GPIO на STM32, и в то же время сделать его оптимальным с точки зрения размера кода и производительности».

Что я хотел получить:

1. Использование контекстных подсказок и автодополнения при работе с GPIO.
2. Получение наиболее оптимального кода.

   1-2 инструкции по сборке.

3. Возможность добавления проверок на уровне компиляции, которые не повлияют на производительность.

Сначала порт ищется по индексу, и только потом осуществляется вызов.

Тогда мне в голову пришла идея использовать выражения и классы constexpr для реализации обоих пунктов сразу.

Итак, давайте начнем.

В моем случае код не будет кроссплатформенным, потому что.

мы можем считать это частью HAL (Hardware Abstraction Layer).

Код был написан для микроконтроллера STM32F103xxx. Для начала определимся с адресами портов.

статический constexpr const uint32_t GPIOA_BASE = 0x40010800; статический constexpr const uint32_t GPIOB_BASE = 0x40010C00; статический constexpr const uint32_t GPIOC_BASE = 0x40011000;

класс перечисления GpioMode: uint8_t { Входной аналоговый = 0x00, ВводПлавающий Входсподтягивание ВыходПушПулл = 0x04, ВыходOpenDrain, АльтернативныйPushPull, АльтернативныйОткрытыйСлив }; класс перечисления GpioOutputSpeed: uint8_t { Вход Макс10 МГц, Макс2МГц, Макс50 МГц };

Мы создадим класс в виде шаблона.

Мы определяем все функции класса как статические встроенные.

Это сделано для оптимизации кода.

Класс шаблона в данном случае используется для группировки функций и хранения параметров в виде значений constexpr. Те.

Эти параметры будут доступны только на этапе компиляции, а после компиляции код будет оптимизирован под минимальное количество инструкций.

В идеале — до одной или двух ассемблерных инструкций на доступ к порту, даже при компиляции с опцией «-O0».

Добавим инструкции барьера dsb в функции доступа к порту.

Небольшое отступление.

На собеседованиях часто задают вопрос про летучие, что, мягко говоря, уже приелось.

У меня большая просьба к тем, кто проводит собеседования во встроенных полях: «не могли бы вы сказать мне сразу, не подглядывая, своими словами, какие инструкции dmb, dsb и isb нужны в системе управления вооружением»? Думаю вопрос про волатильные отпадёт сам собой.

   

 template<uint32_t GpioAddr, uint8_t pinNo> 
 struct GpioPin {     
 
 static constexpr const uint32_t GpioAddress = GpioAddr;
 static constexpr const uint8_t  GpioPinNo = pinNo;
 static constexpr const uint32_t GpioPinMask = (1 << pinNo);
 static constexpr const uint32_t GpioConfPerReg = 8;
 
 static inline void mode(const GpioMode mode, const GpioOutputSpeed oSpeed = GpioOutputSpeed::Input){
     if constexpr (GpioPinNo < GpioConfPerReg){
         static constexpr const uint32_t maskBitCount = 4;
         static constexpr const uint32_t maskOffset = (pinNo * maskBitCount) & 0x1F;
         static constexpr const uint32_t mask = (1 << (maskBitCount + 1)) - 1;
         reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->CRL &= ~(mask << maskOffset);
         reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->CRL |= ((static_cast<uint32_t>(mode) & 0x03) << maskOffset);
         reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->CRL |= ((static_cast<uint32_t>(oSpeed) & 0x03) << (maskOffset + 2));
     } else {
         // Error
         // TO DO: add error compile time error message. 
     }
 }
 
 static inline bool get() {
     return (reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->IDR & GpioPinMask);
 }
 
 static inline void set() {
     reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->BSRR = GpioPinMask;
     asm volatile("dsb;");
 }
 
 static inline void reset(){
     reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->BRR = GpioPinMask;
     asm volatile("dsb;");
 }
 
 static inline void invert(){
     reinterpret_cast<volatile GPIO* const>(GpioAddress)->ODR ^= GpioPinMask;
     asm volatile("dsb;");
 }
 
 }

   

#define GPIOA (reinterpret_cast (GPIOA_BASE)) #define GPIOB (reinterpret_cast (GPIOB_BASE)) #define GPIOC (reinterpret_cast (GPIOC_BASE))

constexpr const GpioPin ПК0; constexpr const GpioPin ПК1; constexpr const GpioPin ПК2; Что можно улучшить? Внутри класса можно добавлять различные проверки, которые будут выполняться на этапе компиляции.

Например, проверка адресов.

И наконец пример использования.

Выглядит как обычный класс, но компилируется в 2-3 ассемблерные инструкции.

В этом случае автодополнение работает, по крайней мере, в eclipse. PA0.set(); PA0.инвертировать(); PA0.set(); PA0.reset(); PA0.инвертировать();

• Eee Pc От Asus

  19 Oct, 24

• Жестовая Коммуникация

  19 Oct, 24

• Создание Сайта Для Вашей Компании

  19 Oct, 24

• Гендиректора «Почты России», Победившего «Почтовый Коллапс», Уволили

  19 Oct, 24

• Эффективные И Неэффективные Веб-Сайты

  19 Oct, 24

• Китайцы Предлагают Каждому 10 Тб

  19 Oct, 24

• Увольнять, Нанимать, Продвигать – Культура Вашей Компании

  19 Oct, 24

• Компьютерное Будущее 40 Лет Назад

  19 Oct, 24

• Сколько У Нас Хороших Карточек...

  19 Oct, 24

• Ide Jetbrains Теперь Доступны Только В Аренду

  19 Oct, 24