Keil C51中函数指针的使用

　　函数指针在C语言中应用较为灵活。在单片机系统中，嵌入式操作系统、文件系统和网络协议栈等一些较为复杂的应用都大量地使用了函数指针。Keil公司推出的C51编译器是事实上80C51 C编程的工业标准，它针对8051系列CPU硬件在标准ANSI C的基础上进行了扩展；但由于编译器及8051体系结构的限制，造成了在使用函数指针时有很多与ANSI C不同的地方。下面举例说明在不同的情形下函数指针的使用。以下代码均在Keil μVision3、v8.08 C51、默认优化等级的开发环境下验证通过。
　　1、指向固定地址的指针
　　在程序设计中，常需要跳转到某一特定的地址上执行，如引导程序的设计。可通过如下C语言实现：

int main(void)
{
    ( ( void (code *)(void) ) 0x2000 )();
    ;
}

　　此代码使得主函数执行位于0x2000地址的程序代码。其中( (void (code* )(void) )是一种数据类型，表示一指向代码段函数的指针，该函数无参数和无返回值。它对数据0x2000进行了强制类型转换，使函数指针指向地址为0x2000的代码段地址。关于复杂类型的声明详见参考文献[1]。
　　通过反汇编窗口可看到编译器生成了如下汇编代码：

　　由上可以看出， Keil C51是非常高效的编译器，产生了非常简洁的输出。这正是我们所期望的。
　　2、无参数的函数指针
　　Keil C51中不带参数的函数指针的使用方法与ANSI C基本相同。示例如下：

void foo(void)
{
    return;
}

int main(void)
{
    void (*pfoo)(void);   //申明函数指针pfoo
    pfoo=foo;             //对该指针赋值，指针指向foo函数代码段
    (*pfoo)();            //通过指针调用其指向的函数，就是运行foo函数
    ;
}

　　3、带参数的函数指针
　　一般来说，函数参数是通过堆栈来传递，用PUSH和POP汇编指令来实现的；但由于8051体系及其编译器的一些限制，使得其函数参数的传递需要一些特殊的方法。
　　通过函数指针调用函数属于函数的间接调用，根据C51的规定，所有的函数参数都需要通过寄存器传递。由于8051的寄存器数目的限制，函数指针最多只能传递3个参数（具体传递规则详见参考文献[2]）。其声明与调用方式如下：

void (* pfun)(char,short,int);    //申明函数指针
(* pfun)('c',0x1234,0x5678);      //调用改函数

　　如果需要传递3个以上函数的参数，可以把参数存放到结构体[1]里面，再用一个指针指向该结构体作为参数传递给函数指针。也可以使用reentrant关键字将函数声明为可重入函数[2]。
　　4、分析调用树正确使用指针函数
　　Keil C51编译器与ANSC C编译器的区别之一是，它并不把函数参数压入堆栈中，而是把函数参数放在寄存器(register)或固定的内存位置(fixed memory location)[2]中。
　　调用树(call tree)是由Keil链接器自动生成的，用于描述函数的调用关系。链接器通过分析调用树来确定哪些寄存器或内存位置是可安全覆盖的。这样两个不同时调用的函数就可以共享同一块memory作为传递参数使用。但对于函数指针来说，编译器并不知道函数指针将指向哪个函数。这导致了调用树构造出错的可能，函数的参数也可能被错误覆盖。示例如下：

void foo_caller(int (code *fptr)(unsigned int))
{
    unsigned char i;
    ; i < ; ++i)
    　　(*fptr)(i);
}

int foo(unsigned int count)
{
　　long j, k;
　　k = ;
　　; j < count; ++j)
　　　　k += j;
　　return k;
}

int main(void)
{
　　foo_caller(foo);
　　;
}

　　对工程“Build target”之后，打开该工程目录下的M51文件查看代码覆盖及函数调用情况，如下：

OVERLAY MAP OF MODULE:test (?C_STARTUP)
SEGMENT DATA_GROUP
　+﹥ CALLED SEGMENT STARTLENGTH
?C_C51STARTUP
　+﹥ ?PR?MAIN?MAIN
?PR?MAIN?MAIN
　+﹥ ?PR?_FOO?MAIN
　+﹥ ?PR?_FOO_CALLER?MAIN
?PR?_FOO?MAIN 　　　　0008H 0008H
?PR?_FOO_CALLER?MAIN 0008H 0003H

　　从该M51文件可以看出，Keil C51编译器认为main函数依次调用了foo与foo_caller函数。这显然违反了上面C代码的初衷，而且foo函数占用了0008H～0010H，foo_caller函数占用了0008H～000BH DATA区，二者传递参数的区域相互覆盖。通过Keil调试器可知，由于参数fptr被错误覆盖，在第2次调用(*ftpr)()时，程序已经不能正确跳转至foo函数执行了。
　　显然，造成上述结果的原因是生成的调用树出错了。Keil提供了链接器OVERLAY伪指令，可让用户自行修改调用树，调整函数的调用关系。可在链接命令行输入以下命令（OVERLAY指令的用法详见参考文献[2]）：

OVERLAY(?PR?MAIN?MAIN ~ ?PR?_FOO?MAIN, ?PR?_FOO_CALLER?MAIN ! ?PR?_FOO?MAIN)

　　或在Keil集成开发环境中，在“BL51 Misc”－“Overlay”中填入：

?PR?MAIN?MAIN ~ ?PR?_FOO?MAIN, ?PR?_FOO_CALLER?MAIN ! ?PR?_FOO?MAIN

　　再次对工程“Build target”之后，M51文件片段如下所示：

OVERLAY MAP OF MODULE:test (?C_STARTUP)
SEGMENT DATA_GROUP
　+﹥ CALLED SEGMENT STARTLENGTH
?C_C51STARTUP
　+﹥ ?PR?MAIN?MAIN
?PR?MAIN?MAIN
　+﹥?PR?_FOO_CALLER?MAIN
?PR?_FOO_CALLER?MAIN 0008H 0003H
　+﹥?PR?_FOO?MAIN
?PR?_FOO?MAIN 000BH 0008H

　　对比之前生成的M51文件可看出，foo与foo_caller函数的DATA区不再重叠，调用树正确地构造了。调试结果也显示，输出正如所期望的一样。
　　结语：采用C51设计较为复杂的单片机软件系统是一种较为理想的方法。如何在C51下编写高效而正确的代码对软件开发人员是一个挑战。本文介绍的几种函数指针使用方法为嵌入式软件开发人员提供了有益的参考。
参考文献
[1] Kernighan Brian W, Rithie Dennis M.The C Programming Language 2nd Ed[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
[2] Keil Software Inc. C51.pdf，2001.
[3] 马忠梅，刘滨，等. 单片机C语言Windows环境编程宝典[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.
朱博(硕士研究生），主要研究方向为智能交通信息采集；许论辉（博士、教授），主要研究方向为智能交通控制。

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