Wokół języka C. Piękno (?) języka C – wskaźniki
Kontynuujemy temat zmiennych i omawiamy kwestie, które też są poruszone w artykułach o numerach zaczynających się od UR030. Wszystko to dotyczy pamięci.
W tym krótkim artykule z grubsza omówimy wskaźniki.
Wskaźniki
Podczas pisania programu zmienna ma tylko nazwę, natomiast w procesorze podczas pracy programu to zarezerwowany przez kompilator „odpowiedniej wielkości kawałek” pamięci RAM. Najbardziej interesuje nas oczywiście zawartość tego „kawałka pamięci”, a zwykle mniej obchodzi nas, jaki adres, czyli który numer komórki RAM, kompilator przydzieli danej zmiennej (niemniej w programie możemy określić ten adres – numer komórki za pomocą tzw. operatora pobrania adresu oznaczanego &).
Często jednak warto się interesować nie tylko zawartością, ale i adresami, choćby w przypadku tablic (i innych typów „tablicopodobnych”). Tablice najczęściej są „obsługiwane” w ten sposób, że jedna po drugiej przetwarzane są informacje z kolejnych komórek tablicy. Aby to było wygodne, warto wykorzystać specyficzny typ zmiennej, zwany zmienną wskaźnikową lub krótko wskaźnikiem. Wskaźnik jest to zmienna zawierająca adres (najczęściej adres tablicy albo adres „zwykłej” zmiennej).
To jest zasadniczo proste, ale początkujący mają duże kłopoty ze zrozumieniem sensu tego dość obszernego zagadnienia. W procesorach AVR wskaźniki znajdują zastosowanie praktycznie tylko w przypadku tablic, dlatego nie musisz wgłębiać się w szczegóły. Załóżmy więc, że będziemy wykorzystywać 12-elementową tablicę znakową (statyczną, czyli o określonej wielkości), którą zadeklarujemy, podając jej rozmiar (liczbę elementów) w nawiasach kwadratowych:
char jakas_tablica[12];
Kompilator zarezerwuje dla niej dwanaście komórek pamięci RAM. Możemy „dostać się” do dowolnego elementu tablicy (zaadresować), podając nazwę tablicy i numer elementu w tablicy. Poniższa instrukcja
zm_a = jakas_tablica[1];
skopiuje do zmiennej zm_a drugi element tablicy (tak, drugi, bo numeracja elementów zaczyna się od zera)
Ale gdy na przykład mamy odczytać lub zapisać wszystkie kolejne elementy tablicy, warto byłoby to jakoś uprościć. Znakomicie pomagają w tym wskaźniki, które też są zmiennymi, zawierającymi adres początku tablicy.
Język C wymaga deklarowania wszystkich zmiennych, także wskaźników. Możemy zadeklarować:
char *zm_wsk;
Znak gwiazdki * informuje kompilator, że nie chodzi nam o zmienną „zwykłą”, tylko o zmienną wskaźnikową – o wskaźnik. Każda zmienna, także wskaźnik, to zarezerwowane miejsce w pamięci RAM. Będzie to określone miejsce, w którym nie będziemy przechowywać danych, tylko adres, gdzie tych danych szukać. Wskaźnik jest więc „pośrednikiem” do „właściwych danych”
Tu uważni Czytelnicy drugiej części artykułu o asemblerze i o trybach adresowania procesorów AVR (strony 34, 35) dowiedzą się o adresowaniu pośrednim, gdzie numer komórki do odczytu/zapisu nie jest zawarty w treści rozkazu, tylko w jednym z rejestrów nomen omen wskaźnikowych (X, Y lub Z).
W grupie asemblerowych rozkazów LD (odczyt) i ST (zapis) mamy wersje „z plusem” i „z minusem”, które idealnie nadają się do przetworzenia zmiennej tablicowej, zawartej gdzieś w pamięci RAM. Można w uproszczeniu powiedzieć, że w przypadku procesorów AVR zmienna wskaźnikowa finalnie będzie jednym z 16-bitowych rejestrów X, Y, Z. Zawarta tam 16-bitowa liczba – adres wskaże, gdzie w pamięci RAM są „właściwe dane”.
Jest to naprawdę proste, tylko wyjaśnijmy istotny szczegół: przy deklarowaniu „zwykłych” zmiennych podany typ pokazuje wielkość zmiennej, np. char to typ danych wykorzystujących 1 bajt (8 bitów). Natomiast wielkość (typ) wskaźnika nie jest dowolna, tylko ściśle określona. W małych 8-bitowych procesorach ATtiny i ATmega rejestry wskaźnikowe X, Y, Z są 16-bitowe, bo są to pary „najwyższych” rejestrów 8-bitowych. A więc mogą zaadresować pamięć RAM o wielkości do 216, czyli 65536 komórek (64kB), co z powodzeniem wystarcza we wszystkich tych procesorach, zawierających znacznie mniej RAM-u. Natomiast w „dużych komputerach” zmienne wskaźnikowe mają 32 bity lub nawet więcej, zależnie od ilości pamięci RAM i architektury. Nie ma więc sensu deklarować wielkości wskaźnika – jest ona sztywno wyznaczona przez sprzęt: przez rodzaj procesora i wielkość pamięci RAM.
Tak jak przy innych zmiennych, także przy deklarowaniu wskaźników podajemy typ, ale nie typ danych wskaźnika, tylko typ „właściwych danych”, na które ten wskaźnik będzie wskazywał, by je prawidłowo obsługiwać. Oto przykład:
char *zm_wsk; //wskaźnik obsługuje zmienną typu char int *inny_wsk; //wskaźnik obsługuje zmienną typu int
Wykonując operacje z udziałem wskaźników (adresów), wykorzystujemy dwa specjalne operatory (& i *). Jeden, oznaczony & (ampersand), to operator pobrania adresu (zmiennej, tablicy, struktury…). Drugi oznaczony gwiazdką * to operator dereferencji, wyłuskania, który pozwala odwołać się do „prawdziwych danych” wskazywanych przez dany wskaźnik. Jeśli na przykład mamy w programie zadeklarowane zmienne, wskaźnikową ws („na razie pustą”) i dwie „zwykłe” typu int: zm zainicjowaną wartością 5 i „na razie pustą” zmienną a
int *ws, zm=5, a;
to instrukcja pobrania adresu z operatorem &
ws = &zm
wpisze do zmiennej wskaźnikowej ws adres zmiennej zm, natomiast instrukcja
a = *ws;
wpisze do zmiennej a zawartość zmiennej wskazywanej przez wskaźnik ws. We wskaźniku jest adres zmiennej zm, więc do zmiennej a wpisana zastanie zawartość zmiennej zm, czyli liczba 5.
Początkujący programiści AVR-ów nie muszą wnikać w zawiłości wskaźników – na razie niech tylko uwierzą na słowo i zapamiętają, że przy seryjnym przetwarzaniu danych (tablic) warto wykorzystywać adresowanie pośrednie i wskaźniki, ponieważ to znakomicie ułatwia tworzenie programów.
A my w następnym odcinku (PR006) omawiamy funkcje.
Piotr Górecki
