【精】电子设计基础训练 思考6

本系列给出了作者在课程学习中遇到的问题，并给出自己的思考成果以供大家参考。能力有限，如遇文中有错误、不当之处烦请批评指正。更多问题欢迎在评论区交流！

本文少部分内容引用了互联网上的资料，出处不再一一标明。

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结合资料查阅，给出Arduino中loop函数如何实现循环执行的？

首先想到的是查找官网资料，在Arduino网站的DOCUMENTATION-REFERENCE栏目中找到loop()函数的信息。

图1 Arduino网页对loop函数的说明

而网站并未对loop函数的具体执行方式给出任何说明，仅单纯说明该函数是完成初始化后会被循环执行的函数。因此需要进一步深入。查询Arduino Uno开发板的数据得到该板的核心微控制器型号为ATmega328P，进一步查询得到该控制器核心为AVR单片机。下面通过两种方案得到loop函数的实际执行方式。

• 方案一

可以知道，单片机执行代码需要靠读取已烧写在闪存FLASH（可编程只读存储器EEPROM）中的二进制程序，因此需要找到Arduino IDE编译后生成的文件。新建一份测试代码文件，如图所示：

图2 测试代码

在两个函数中写入内联汇编指令nop（空指令，不执行任何操作），便于在二进制文件中定位setup与loop函数的位置。编译，发现在系统的临时文件夹中生成了sketch_apr17a.ino.elf文件，根据后缀名可知这是编译生成的ELF格式可执行文件，其中就包含了实际要上传到开发板执行的二进制程序。由前面已知Arduino Uno基于AVR单片机，查阅资料可了解到，Arduino IDE调用了avr-gcc套件（位于IDE安装目录下hardware\tools\avr\bin中）执行真正的编译、链接操作，现在使用该套件反汇编生成的二进制文件。执行avr-objdump.exe -d sketch_apr17a.ino.elf > dasm.S命令，得到文件输出dasm.S。打开文件，可以查看测试程序对应的AVR指令集汇编代码。

图3.1 反汇编(开头部分)

图3.2 反汇编(核心代码部分)

从图3.2中发现，写在测试代码loop函数中的两条nop指令被汇编在偏移0x1b0位置（main标号处偏移为0x124，nop相对main标号偏移为0x8c），查询AVR指令集可知，位于0x1b6、0x1bc的跳转指令均满足跳转条件，一旦单片机执行到此处就立即往回跳到nop指令（loop函数开始）处，再往下执行，再回跳……如此实现了loop函数的无限循环。因此，任何写在loop函数中的自定义代码，都会被编译成汇编指令，填入本测试例中两个nop指令的位置，再由breq或rjmp指令实现反复循环。

图4 AVR指令集

• 方案二

方案一暗示了Arduino IDE在编译程序时不仅仅使用了我们创建的代码文件，其下层应该存在完备的代码封装来调用loop与setup函数，且真正生成的可执行程序应该有一个唯一入口点，猜测为main函数（见方案一反汇编部分）。经过翻找，在Arduino提供的AVR开发平台源码或IDE安装目录（hardware\arduino\avr\cores\arduino\main.cpp）中找到了对loop函数的引用，同时也找到了程序真正入口点。

图5 main.cpp文件

非常明显，可以在main.cpp文件中看到熟悉的main入口函数与for(;;)无限循环结构，setup和loop函数在Arduino开发板中的调用层次自此变得明晰。包含main入口点的编译好的二进制程序被上传至Arduino的FLASH（EEPROM）中，AVR单片机启动时先运行内置bootloader，bootloader在完成初始化工作后定位main入口点并跳转，将CPU执行权交与我们的程序，main函数在完成应有的准备后最终进入loop循环。

Arduino在编译我们的程序时，实际上编译并链接了更多、更主要的代码封装，这些代码封装才是真正的caller，而我们仅仅是在丰富setup和loop这些默认留空的函数的“内心”。