将 IO 寄存器作为模板参数传递

Question

我想使用 IO 寄存器（== 静态内存地址）作为模板参数。问题是，寄存器通常被定义为扩展为类似于 (*(volatile uint8_t*)(11 + 0x20)) 的宏，我不知何故无法正确使用我的模板。

我想写这样的代码：

Foo<PORTB> foo;

这样我就可以轻松更改 class 使用的 IO 寄存器，而无需任何运行时开销（这对微控制器至关重要）。我在下面包含了一个完整的例子：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <utility>

#define PORTB  (*(volatile uint8_t*)(11 + 0x20))

template<volatile uint8_t* PortRegister>
class ControllerPtr final
{
public:
    static void SetHigh() { *PortRegister |= 0x2; }
};

template<volatile uint8_t& PortRegister>
class ControllerRef final
{
public:
    static void SetHigh() { PortRegister |= 0x2; }
};


int main()
{
    ControllerPtr<&PORTB> ptr;
    ControllerRef<PORTB> ref;

    ptr.SetHigh();
    ref.SetHigh();

    // Both statements should be equal to:
    // PORTB |= 0x2;
}

每次我尝试将 &PORTB 传递给 ControllerPtr 时，g++ 都无法编译：

error: (volatile uint8_t*)((long int)(11 + 32)) is not a valid template argument for volatile uint8_t* {aka volatile unsigned char*} because it is not the address of a variable

error: expression *(volatile uint8_t*)((long int)(11 + 32)) has side-effects

尝试将 PORTB 传递给 ControllerRef 中使用的引用类型时，错误有点不同：

error: *(volatile uint8_t*)((long int)(11 + 32)) is not a valid template argument for type volatile uint8_t& {aka volatile unsigned char&} because it is not an object with linkage

我其实不明白为什么这个错误是一个错误，因为我没有看到将静态地址传递给模板有任何问题。

Answer 1

非类型模板参数必须是常量表达式，常量表达式中不能有 reinterpret_cast（除非它未被求值）。

既然您已经指出除了通过 PORTB 等宏之外，您无法访问数字地址，我建议您采用一种解决方法。虽然 PORTB 不能在模板参数中使用，但我们可以合成一个可以在模板参数中使用的唯一类型，如下所示：

struct PORTB_tag {
    static volatile uint8_t& value() { return PORTB; }
};
template <class PortTag>
class ControllerRef final {
  public:
    static void SetHigh() { PortTag::value() |= 0x2; }
};
int main() {
    ControllerRef<PORTB_tag> ref;
    ref.SetHigh();
}

当您有很多端口时，为了避免重复输入，我们可以使用宏：

#define PORT_TAG(port) port_tag_for_ ## port
#define MAKE_PORT_TAG(port) struct port_tag_for_ ## port { \
    static volatile uint8_t& value() { return port; } \
}
template <class PortTag>
class ControllerRef final {
  public:
    static void SetHigh() { PortTag::value() |= 0x2; }
};
MAKE_PORT_TAG(PORTB);
int main() {
    ControllerRef<PORT_TAG(PORTB)> ref;
    ref.SetHigh();
}

http://coliru.stacked-crooked.com/a/401c0847d77ec0e0

Answer 2

正如 Brian 在他的回答中指出的那样，模板参数必须是常量表达式。在较旧的 GCC（6.0 之前）中，以下 hack 应该有效：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <utility>

#define PORTB (*(volatile uint8_t*)(11 + 0x20))

// Helper constant for 0 address
#define ZERO  (*(volatile uint8_t*)(0))

// A ptrdiff_t is OK
template <std::ptrdiff_t PortRegister>
class ControllerPtr final
{
public:
  // Get back to the actual desired address
  static void SetHigh() { *(volatile uint8_t*)(&ZERO+PortRegister) |= 0x2; }
};

// Define helper constants for all relevant registers
static constexpr std::ptrdiff_t C_PORTB = &PORTB-&ZERO;

int main()
{
  // Now this works
  ControllerPtr<C_PORTB> ptr;

  ptr.SetHigh();
}

Inspect the result here。我称它为 hack 因为较新的 GCC 版本将（正确地）拒绝编译它并出现错误

error: reinterpret_cast from integer to pointer

在 constexpr 声明的行，因为从技术上讲，您不能在常量表达式中使用 reinterpret_cast 的结果。 This SO post 提供了更多背景知识。

将 IO 寄存器作为模板参数传递

Passing an IO register as template parameter

c++

templates

avr

c++11