嵌入式程式員應知道的幾個基本問題

  嵌入式程式員應知道的幾個基本問題 2007-11-20 15:03

C語言測試是招聘嵌入式系統程式員過程中必須而且有效的方法。這些年，我既參加也組織了許多這種測試，在這過程中我意識到這些測試能為面試者和被面試者提供許多有用資訊，此外，撇開面試的壓力不談，這種測試也是相當有趣的。 　　從被面試者的角度來講，你能了解許多關于出題者或監考者的情況。這個測試隻是出題者為顯示其對ANSI标準細節的知識而不是技術技巧而設計嗎？這是個愚蠢的問題嗎？如要你答出某個字元的ASCII值。這些問題着重考察你的系統調用和記憶體配置設定政策方面的能力嗎？這标志着出題者也許花時間在微機上而不是在嵌入式系統上。如果上述任何問題的答案是"是"的話，那麼我知道我得認真考慮我是否應該去做這份工作。 　　從面試者的角度來講，一個測試也許能從多方面揭示應試者的素質：最基本的，你能了解應試者C語言的水準。不管怎麼樣，看一下這人如何回答他不會的問題也是滿有趣。應試者是以好的直覺做出明智的選擇，還是隻是瞎蒙呢？當應試者在某個問題上卡住時是找借口呢，還是表現出對問題的真正的好奇心，把這看成學習的機會呢？我發現這些資訊與他們的測試成績一樣有用。 　　有了這些想法，我決定出一些真正針對嵌入式系統的考題，希望這些令人頭痛的考題能給正在找工作的人一點幫助。這些問題都是我這些年實際碰到的。其中有些題很難，但它們應該都能給你一點啟迪。 　　這個測試适于不同水準的應試者，大多數初級水準的應試者的成績會很差，經驗豐富的程式員應該有很好的成績。為了讓你能自己決定某些問題的偏好，每個問題沒有配置設定分數，如果選擇這些考題為你所用，請自行按你的意思配置設定分數。 　　預處理器(Preprocessor) 　　1 . 用預處理指令#define 聲明一個常數，用以表明1年中有多少秒(忽略閏年問題) 　　　　　　　　#define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL 　　我在這想看到幾件事情： 　　1) #define 文法的基本知識(例如：不能以分号結束，括号的使用，等等) 　　2)懂得預處理器将為你計算常數表達式的值，是以，直接寫出你是如何計算一年中有多少秒而不是計算出實際的值，是更清晰而沒有代價的。 　　3) 意識到這個表達式将使一個16位機的整型數溢出-是以要用到長整型符号L,告訴編譯器這個常數是的長整型數。 　　4) 如果你在你的表達式中用到UL(表示無符号長整型)，那麼你有了一個好的起點。記住，第一印象很重要。 　　2 . 寫一個"标準"宏MIN ，這個宏輸入兩個參數并傳回較小的一個。 　　　　　　　　#define MIN(A,B) ((A) <= (B) ? (A) : (B)) 　　這個測試是為下面的目的而設的： 　　1) 辨別#define在宏中應用的基本知識。這是很重要的。因為在 嵌入(inline)操作符 變為标準C的一部分之前，宏是友善産生嵌入代碼的唯一方法，對于嵌入式系統來說，為了能達到要求的性能，嵌入代碼經常是必須的方法。 　　2)三重條件操作符的知識。這個操作符存在C語言中的原因是它使得編譯器能産生比if-then-else更優化的代碼，了解這個用法是很重要的。 　　3) 懂得在宏中小心地把參數用括号括起來 　　4) 我也用這個問題開始讨論宏的副作用，例如：當你寫下面的代碼時會發生什麼事？ 　　3. 預處理器辨別#error的目的是什麼？ 　　如果你不知道答案，請看參考文獻1。這問題對區分一個正常的夥計和一個書呆子是很有用的。隻有書呆子才會讀C語言課本的附錄去找出象這種問題的答案。當然如果你不是在找一個書呆子，那麼應試者最好希望自己不要知道答案。 　　死循環(Infinite loops) 　　4. 嵌入式系統中經常要用到無限循環，你怎麼樣用C編寫死循環呢？ 　　這個問題用幾個解決方案。我首選的方案是： 　　　　while(1) 　　　　{ 　　　　} 　　一些程式員更喜歡如下方案： 　　　　for(;;) 　　　　{ 　　　　} 　　這個實作方式讓我為難，因為這個文法沒有确切表達到底怎麼回事。如果一個應試者給出這個作為方案，我将用這個作為一個機會去探究他們這樣做的基本原理。如果他們的基本答案是："我被教着這樣做，但從沒有想到過為什麼。"這會給我留下一個壞印象。第三個方案是用 goto 　　　　Loop: 　　　　... 　　　　goto Loop; 　　應試者如給出上面的方案，這說明或者他是一個彙編語言程式員(這也許是好事)或者他是一個想進入新領域的BASIC/FORTRAN程式員。 　　資料聲明(Data declarations) 　　5. 用變量a給出下面的定義 　　a) 一個整型數(An integer)。 　　b)一個指向整型數的指針( A pointer to an integer)。 　　c)一個指向指針的的指針，它指向的指針是指向一個整型數( A pointer to a pointer to an intege)r 。 　　d)一個有10個整型數的數組( An array of 10 integers)。 　　e) 一個有10個指針的數組，該指針是指向一個整型數的(An array of 10 pointers to integers)。 　　f) 一個指向有10個整型數數組的指針( A pointer to an array of 10 integers)。 　　g) 一個指向函數的指針，該函數有一個整型參數并傳回一個整型數(A pointer to a function that takes an integer as an argument and returns an integer)。 　　h) 一個有10個指針的數組，該指針指向一個函數，該函數有一個整型參數并傳回一個整型數( An array of ten pointers to functions that take an integer argument and return an integer )。 　　答案是： 　　　　a) int a; // An integer 　　　　b) int *a; // A pointer to an integer 　　　　c) int **a; // A pointer to a pointer to an integer 　　　　d) int a[10]; // An array of 10 integers 　　　　e) int *a[10]; // An array of 10 pointers to integers 　　　　f) int (*a)[10]; // A pointer to an array of 10 integers 　　　　g) int (*a)(int); // A pointer to a function a that 　　　　takes an integer argument and returns an integer 　　　　h) int (*a[10])(int); // An array of 10 pointers 　　　　to functions that take an integer argument and return 　　　　an integer 　　人們經常聲稱這裡有幾個問題是那種要翻一下書才能回答的問題，我同意這種說法。當我寫這篇文章時，為了确定文法的正确性，我的确查了一下書。但是當我被面試的時候，我期望被問到這個問題(或者相近的問題)。因為在被面試的這段時間裡，我确定我知道這個問題的答案。應試者如果不知道所有的答案(或至少大部分答案)，那麼也就沒有為這次面試做準備，如果該面試者沒有為這次面試做準備，那麼他又能為什麼出準備呢？ 　　Static 　　6. 關鍵字static的作用是什麼？ 　　這個簡單的問題很少有人能回答完全。在C語言中，關鍵字static有三個明顯的作用： 　　1)在函數體，一個被聲明為靜态的變量在這一函數被調用過程中維持其值不變。 　　2) 在子產品内(但在函數體外)，一個被聲明為靜态的變量可以被子產品内所用函數通路，但不能被子產品外其它函數通路。它是一個本地的全局變量。 　　3) 在子產品内，一個被聲明為靜态的函數隻可被這一子產品内的其它函數調用。那就是，這個函數被限制在聲明它的子產品的本地範圍内使用。 　　大多數應試者能正确回答第一部分，一部分能正确回答第二部分，同是很少的人能懂得第三部分。這是一個應試者的嚴重的缺點，因為他顯然不懂得本地化資料和代碼範圍的好處和重要性。 　　Const 　　7.關鍵字const有什麼含意？ 　　我隻要一聽到被面試者說："const意味着常數"，我就知道我正在和一個業餘者打交道。去年Dan Saks已經在他的文章裡完全概括了const 的所有用法，是以ESP(譯者：Embedded Systems Programming)的每一位讀者應該非常熟悉const能做什麼和不能做什麼. 如果你從沒有讀到那篇文章，隻要能說出const意味着"隻讀"就可以了。盡管這個答案不是完全的答案，但我接受它作為一個正确的答案。(如果你想知道更詳細的答案，仔細讀一下Saks的文章吧。) 　　如果應試者能正确回答這個問題，我将問他一個附加的問題： 　　下面的聲明都是什麼意思？ 　　　　const int a; 　　　　int const a; 　　　　const int *a; 　　　　int * const a; 　　　　int const * a const; 　　　　 　　前兩個的作用是一樣，a是一個常整型數。第三個意味着a是一個指向常整型數的指針(也就是，整型數是不可修改的，但指針可以)。第四個意思a是一個指向整型數的常指針(也就是說，指針指向的整型數是可以修改的，但指針是不可修改的)。最後一個意味着a是一個指向常整型數的常指針(也就是說，指針指向的整型數是不可修改的，同時指針也是不可修改的)。如果應試者能正确回答這些問題，那麼他就給我留下了一個好印象。順帶提一句，也許你可能會問，即使不用關鍵字 const，也還是能很容易寫出功能正确的程式，那麼我為什麼還要如此看重關鍵字const呢？我也如下的幾下理由： 　　1) 關鍵字const的作用是為給讀你代碼的人傳達非常有用的資訊，實際上，聲明一個參數為常量是為了告訴了使用者這個參數的應用目的。如果你曾花很多時間清理其它人留下的垃圾，你就會很快學會感謝這點多餘的資訊。(當然，懂得用const的程式員很少會留下的垃圾讓别人來清理的。) 　　2) 通過給優化器一些附加的資訊，使用關鍵字const也許能産生更緊湊的代碼。 　　3) 合理地使用關鍵字const可以使編譯器很自然地保護那些不希望被改變的參數，防止其被無意的代碼修改。簡而言之，這樣可以減少bug的出現。 　　Volatile 　　8. 關鍵字volatile有什麼含意?并給出三個不同的例子。 　　一個定義為volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。精确地說就是，優化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值，而不是使用儲存在寄存器裡的備份。下面是volatile變量的幾個例子： 　　1) 并行裝置的硬體寄存器(如：狀态寄存器) 　　2) 一個中斷服務子程式中會通路到的非自動變量(Non-automatic variables) 　　3) 多線程應用中被幾個任務共享的變量 　　回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區分C程式員和嵌入式系統程式員的最基本的問題。搞嵌入式的家夥們經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變量。不懂得volatile的内容将會帶來災難。 　　假設被面試者正确地回答了這是問題(嗯，懷疑是否會是這樣)，我将稍微深究一下，看一下這家夥是不是直正懂得volatile完全的重要性。 　　1)一個參數既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什麼。 　　2); 一個指針可以是volatile 嗎？解釋為什麼。 　　3); 下面的函數有什麼錯誤： 　　　　int square(volatile int *ptr) 　　　　{ 　　　　　return *ptr * *ptr; 　　　　} 　　下面是答案： 　　1)是的。一個例子是隻讀的狀态寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。 　　2); 是的。盡管這并不很常見。一個例子是當一個中服務子程式修該一個指向一個buffer的指針時。 　　3) 這段代碼有點變态。這段代碼的目的是用來返指針*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一個volatile型參數，編譯器将産生類似下面的代碼： 　　　　int square(volatile int *ptr) 　　　　{ 　　　　int a,b; 　　　　a = *ptr; 　　　　b = *ptr; 　　　　return a * b; 　　　　} 　　由于*ptr的值可能被意想不到地該變，是以a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值！正确的代碼如下： 　　　　long square(volatile int *ptr) 　　　　{ 　　　　int a; 　　　　a = *ptr; 　　　　return a * a; 　　　　} 　　位操作(Bit manipulation) 　　9. 嵌入式系統總是要使用者對變量或寄存器進行位操作。給定一個整型變量a，寫兩段代碼，第一個設定a的bit 3，第二個清除a 的bit 3。在以上兩個操作中，要保持其它位不變。 　　對這個問題有三種基本的反應： 　　1)不知道如何下手。該被面者從沒做過任何嵌入式系統的工作。 　　2) 用bit fields。Bit fields是被扔到C語言死角的東西，它保證你的代碼在不同編譯器之間是不可移植的，同時也保證了的你的代碼是不可重用的。我最近不幸看到 Infineon為其較複雜的通信晶片寫的驅動程式，它用到了bit fields是以完全對我無用，因為我的編譯器用其它的方式來實作bit fields的。從道德講：永遠不要讓一個非嵌入式的家夥粘實際硬體的邊。 　　3) 用 #defines 和 bit masks 操作。這是一個有極高可移植性的方法，是應該被用到的方法。最佳的解決方案如下： 　　　　#define BIT3 (0x1 << 3) 　　　　static int a; 　　　　void set_bit3(void) 　　　　{ 　　　　a |= BIT3; 　　　　} 　　　　void clear_bit3(void) 　　　　{ 　　　　a &= ~BIT3; 　　　　} 　　一些人喜歡為設定和清除值而定義一個掩碼同時定義一些說明常數，這也是可以接受的。我希望看到幾個要點：說明常數、|=和&=~操作。 　　通路固定的記憶體位置(Accessing fixed memory locations) 　　10. 嵌入式系統經常具有要求程式員去通路某特定的記憶體位置的特點。在某工程中，要求設定一絕對位址為0x67a9的整型變量的值為0xaa66。編譯器是一個純粹的ANSI編譯器。寫代碼去完成這一任務。 　　這一問題測試你是否知道為了通路一絕對位址把一個整型數強制轉換(typecast)為一指針是合法的。這一問題的實作方式随着個人風格不同而不同。典型的類似代碼如下： 　　　　int *ptr; 　　　　ptr = (int *)0x67a9; 　　　　*ptr = 0xaa55; 　　　　A more obscure approach is: 　　一個較晦澀的方法是： 　　　　*(int * const)(0x67a9) = 0xaa55; 　　即使你的品味更接近第二種方案，但我建議你在面試時使用第一種方案。 　　中斷(Interrupts) 　　11. 中斷是嵌入式系統中重要的組成部分，這導緻了很多編譯開發商提供一種擴充—讓标準C支援中斷。具代表事實是，産生了一個新的關鍵字 __interrupt。下面的代碼就使用了__interrupt關鍵字去定義了一個中斷服務子程式(ISR)，請評論一下這段代碼的。 　　　　__interrupt double compute_area (double radius) 　　　　{ 　　　　double area = PI * radius * radius; 　　　　printf("/nArea = %f", area); 　　　　return area; 　　　　} 　　這個函數有太多的錯誤了，以至讓人不知從何說起了： 　　1)ISR 不能傳回一個值。如果你不懂這個，那麼你不會被雇用的。 　　2) ISR 不能傳遞參數。如果你沒有看到這一點，你被雇用的機會等同第一項。 　　3) 在許多的處理器/編譯器中，浮點一般都是不可重入的。有些處理器/編譯器需要讓額處的寄存器入棧，有些處理器/編譯器就是不允許在ISR中做浮點運算。此外，ISR應該是短而有效率的，在ISR中做浮點運算是不明智的。 　　4) 與第三點一脈相承，printf()經常有重入和性能上的問題。如果你丢掉了第三和第四點，我不會太為難你的。不用說，如果你能得到後兩點，那麼你的被雇用前景越來越光明了。 　　代碼例子(Code examples) 　　12 . 下面的代碼輸出是什麼，為什麼？ 　　　　void foo(void) 　　　　{ 　　　　unsigned int a = 6; 　　　　int b = -20; 　　　　(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6"); 　　　　} 　　這個問題測試你是否懂得C語言中的整數自動轉換原則，我發現有些開發者懂得極少這些東西。不管如何，這無符号整型問題的答案是輸出是 "> 6"。原因是當表達式中存在有符号類型和無符号類型時所有的操作數都自動轉換為無符号類型。是以-20變成了一個非常大的正整數，是以該表達式計算出的結果大于6。這一點對于應當頻繁用到無符号資料類型的嵌入式系統來說是豐常重要的。如果你答錯了這個問題，你也就到了得不到這份工作的邊緣。 　　13. 評價下面的代碼片斷： 　　　　unsigned int zero = 0; 　　　　unsigned int compzero = 0xFFFF; 　　　　 　　對于一個int型不是16位的處理器為說，上面的代碼是不正确的。應編寫如下： 　　　　unsigned int compzero = ~0; 　　這一問題真正能揭露出應試者是否懂得處理器字長的重要性。在我的經驗裡，好的嵌入式程式員非常準确地明白硬體的細節和它的局限，然而PC機程式往往把硬體作為一個無法避免的煩惱。 　　到了這個階段，應試者或者完全垂頭喪氣了或者信心滿滿志在必得。如果顯然應試者不是很好，那麼這個測試就在這裡結束了。但如果顯然應試者做得不錯，那麼我就扔出下面的追加問題，這些問題是比較難的，我想僅僅非常優秀的應試者能做得不錯。提出這些問題，我希望更多看到應試者應付問題的方法，而不是答案。不管如何，你就當是這個娛樂吧... 　　動态記憶體配置設定(Dynamic memory allocation) 　　14. 盡管不像非嵌入式計算機那麼常見，嵌入式系統還是有從堆(heap)中動态配置設定記憶體的過程的。那麼嵌入式系統中，動态配置設定記憶體可能發生的問題是什麼？ 　　這裡，我期望應試者能提到記憶體碎片，碎片收集的問題，變量的持行時間等等。這個主題已經在ESP雜志中被廣泛地讨論過了(主要是 P.J. Plauger, 他的解釋遠遠超過我這裡能提到的任何解釋)，所有回過頭看一下這些雜志吧！讓應試者進入一種虛假的安全感覺後，我拿出這麼一個小節目： 　　下面的代碼片段的輸出是什麼，為什麼？ 　　　　char *ptr; 　　　　if ((ptr = (char *)malloc(0)) == NULL) 　　　　puts("Got a null pointer"); 　　　　else 　　　　puts("Got a valid pointer"); 　　這是一個有趣的問題。最近在我的一個同僚不經意把0值傳給了函數malloc，得到了一個合法的指針之後，我才想到這個問題。這就是上面的代碼，該代碼的輸出是"Got a valid pointer"。我用這個來開始讨論這樣的一問題，看看被面試者是否想到庫例程這樣做是正确。得到正确的答案固然重要，但解決問題的方法和你做決定的基本原理更重要些。 　　Typedef 　　15 Typedef 在C語言中頻繁用以聲明一個已經存在的資料類型的同義字。也可以用預處理器做類似的事。例如，思考一下下面的例子： 　　　　#define dPS struct s * 　　　　typedef struct s * tPS; 　　以上兩種情況的意圖都是要定義dPS 和 tPS 作為一個指向結構s指針。哪種方法更好呢？(如果有的話)為什麼？ 　　這是一個非常微妙的問題，任何人答對這個問題(正當的原因)是應當被恭喜的。答案是：typedef更好。思考下面的例子： 　　　　dPS p1,p2; 　　　　tPS p3,p4; 　　第一個擴充為 　　　　struct s * p1, p2; 　　　　. 　　上面的代碼定義p1為一個指向結構的指，p2為一個實際的結構，這也許不是你想要的。第二個例子正确地定義了p3 和p4 兩個指針。 　　晦澀的文法 　　16 . C語言同意一些令人震驚的結構,下面的結構是合法的嗎，如果是它做些什麼？ 　　　　int a = 5, b = 7, c; 　　　　c = a+++b; 　　這個問題将做為這個測驗的一個愉快的結尾。不管你相不相信，上面的例子是完全合乎文法的。問題是編譯器如何處理它？水準不高的編譯作者實際上會争論這個問題，根據最處理原則，編譯器應當能處理盡可能所有合法的用法。是以，上面的代碼被處理成： 　　　　c = a++ + b; 　　是以, 這段代碼持行後a = 6, b = 7, c = 12。 　　如果你知道答案，或猜出正确答案，做得好。如果你不知道答案，我也不把這個當作問題。我發現這個問題的最大好處是這是一個關于代碼編寫風格，代碼的可讀性，代碼的可修改性的好的話題。 　　好了，夥計們，你現在已經做完所有的測試了。這就是我出的C語言測試題，我懷着愉快的心情寫完它，希望你以同樣的心情讀完它。如果是認為這是一個好的測試，那麼盡量都用到你的找工作的過程中去吧。天知道也許過個一兩年，我就不做現在的工作，也需要找一個。 　　作者介紹: 　　Nigel Jones 是一個顧問，現在住在Maryland，當他不在水下時，你能在多個範圍的嵌入項目中找到他。 他很高興能收到讀者的來信，他的email位址是: [email protected]

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