Otázky k C pro mikrokontroléry

Teoretické minimum: klíčové otázky pro programování mikrokontrolérů

Programátoři mikrokontrolérů musí perfektně ovládat specifika jazyka C v podmínkách omezených zdrojů. Níže najdete výběr praktických otázek s důrazem na kompilaci, paměť a optimalizaci. Tyto témata se pravidelně objevují na pohovorech v embedded firmách.

Klíčová slova a jejich použití

Static omezuje viditelnost proměnné na aktuální soubor nebo funkci, u lokálních static zachovává hodnotu mezi voláními. Volatile brání optimalizaci kompilátorem pro proměnné měněné zvenčí (registry, paměť, přerušení).

Příklad problematického kódu:

int square(volatile int *ptr) {
    return *ptr * *ptr;
}

Zde se volatile aplikuje jen na první dereferenci, druhá může být optimalizována. Správně: (ptr) (*ptr).

Const volatile je vhodné pro data neměnná zvenčí, jako statusové registry. Register navrhuje kompilátoru uložit proměnnou v registru (zastaralé v C11). Restrict signalizuje absenci aliasingu pointerů pro vektorizaci.

Práce s pamětí a strukturami

Globální const proměnná se umístí do Flash. Pro konstantní pole 32 KB s hodnotou 0xFF použijte linker script sekci s fill(0xFF).

Bitové operace: kontrola bitu — n & (1 << k), vymazání — n & ~(1 << k). Srovnání float: fabs(a - b) < EPSILON.

Velikost struktur závisí na zarovnání. Pro

struct Foo {
    int iiii;
    char c;
};

je velikost 8 bajtů (4 bajty padding). Balení v GCC: __attribute__((packed)).

Příklad výstupu řetězců:

char str5[]={'s','t','r','i','n','g'};  // size:7 len:6
char *str1="string";                    // size:4 len:6 (pointer)
char str3[]="string";                   // size:7 len:6
char str4[10]="string";                 // size:10 len:6

Systémy sestavení a toolchain

Systém sestavení automatizuje kompilaci, linkování a závislosti. Make zpracovává změny souborů, Ninja je rychlejší díky paralelizmu a jednoduchosti.

VPATH v GNU Make hledá zdrojáky v uvedených adresářích.

Cesta kódu: .c → .i (předzpracování) → .s (assembler) → .o → .elf → .bin/.hex.

Vypnout varování GCC: #pragma GCC diagnostic ignored "-Wrestrict".

Zkomprimovat firmware: -ffunction-sections -fdata-sections, ld --gc-sections, optimalizace -Os.

Artefakty sestavení

• .o — objektové soubory
• .elf — spustitelný soubor se symboly
• .hex/.bin — pro firmware (hex s adresami)

Binutils: objdump (dizassembler), objcopy (konvertor), readelf (ELF analýza).

Zkontrolovat sestavení souboru: make V=1 nebo -n (dry-run).

Datové struktury a algoritmy

Cyklický buffer — kruhové pole s indexy head/tail, liší se od FIFO absencí posunů.

Odstranění ze spojeného seznamu: změnit prev->next = node->next (potřeba prev) nebo node->next->prev = node->prev (dvojitě spojený).

Polymorfismus v C: pointery na funkce ve strukturách (podobně jako vtable).

Úloha bez if/switch:

void print_num(int n) {
    const char *nums[] = {"","Jeden","Dva"};
    printf("%s", nums[n]);
}

do-while(0) pro makra — jediná iterace s více příkazy.

Přerušení a RTOS

Přerušení — hardwarový mechanismus skoku do ISR při události. Vektorová tabulka obsahuje adresy ISR. Cortex-M4: 12–16 taktů na vstup (uložení kontextu).

Algoritmus: hardware ukládá PC/LR, načte vektor, skok do ISR, návrat přes POP.

Reentrant funkce — bezpečná pro paralelní volání (žádné static/lokální bez synchronizace).

V RTOS:

• Vlákno — jednotka provádění se stackem
• Mutex — vzájemné vyloučení
• Semaphore — počítadlo událostí
• Spinlock — busy-wait blokování

Problém v kódu: deadlock kvůli pořadí locků (TaskA: ma→mb, TaskB: mb→mc→ma).

Inverze priorit: vysoká priorita čeká na nízkou. Řešení: dědičnost priorit.

Atomové operace

Příklad: __atomic_exchange_n(&x, &y, __ATOMIC_SEQ_CST).

Bit-banding — přímý přístup k bitům bez masek (Cortex-M3/4).

Toolchain a ladění

ABI — rozhraní binární kompatibility (calling convention).

Segmenty: .text (Flash kód), .data (RAM inicializované), .bss (RAM nuly), .rodata (Flash konstanty).

Rozložit předzpracování: gcc -E file.c > expanded.i.

Dokumentace: datasheet, referenční manuál, programovací manuál, schéma.

Co je důležité

• Volatile jsou nutné pro registry periferií
• Packed struktury šetří RAM, ale zpomalují přístup
• RTOS vyžaduje thread-safe kód a ochranu kritických sekcí
• Optimalizace sestavení: sekce + gc-sections
• Přerušení pracují ve stacku aktuálního vlákna

Pro padding 0xFF ve strukturách: linker script s fill nebo __attribute__((packed)) + ruční vyplnění.

— Editorial Team