使用 avr-g++ 的 8b uC 中的 32b 乘法与使用 gcc 的 X86 上的 32b 乘法

Posted 2023-02-22

【中文标题】使用 avr-g++ 的 8b uC 中的 32b 乘法与使用 gcc 的 X86 上的 32b 乘法

【英文标题】：32b multiplication in 8b uC with avr-g++ vs 32b multiplication on X86 with gcc

【发布时间】：2020-02-08 07:57:27

【问题描述】：

问题：

我正在做一个定点 c++ 类来在 8b 微控制器上执行一些闭环控制系统。 我编写了一个 C++ 类来封装 PID，并使用现代 gcc 编译器在 X86 桌面上测试了该算法。一切都好。 当我使用现代 avr-g++ 编译器在 8b 微控制器上编译相同的代码时，我得到了奇怪的伪像。经过一番调试，问题是16b*16b的乘法被截断为16b。下面是一些最小的代码来显示我正在尝试做的事情。

我在桌面系统上使用了 -O2 优化，在嵌入式系统上使用了 -OS 优化，没有其他编译器标志。

#include <cstdio>
#include <stdint.h>

#define TEST_16B    true
#define TEST_32B    true

int main( void )

    if (TEST_16B)
    
        int16_t op1 = 9000;
        int16_t op2 = 9;
        int32_t res;
        //This operation gives the correct result on X86 gcc (81000)
        //This operation gives the wrong result on AVR avr-g++ (15464)
        res = (int32_t)0 +op1 *op2;
        printf("op1: %d | op2: %d | res: %d\n", op1, op2, res );
    

    if (TEST_32B)
    
        int16_t op1 = 9000;
        int16_t op2 = 9;
        int32_t res;
        //Promote first operand
        int32_t promoted_op1 = op1;
        //This operation gives the correct result on X86 gcc (81000)
        //This operation gives the correct result on AVR avr-g++ (81000)
        res = promoted_op1 *op2;
        printf("op1: %d | op2: %d | res: %d\n", promoted_op1, op2, res );
    

    return 0;

解决方案：

只需使用局部变量将一个操作数提升为 32b 即可解决问题。

我的期望是 C++ 会保证数学运算将以与第一个操作数相同的宽度执行，所以在我看来 res = (int32_t)0 +... 应该告诉编译器之后的任何事情都应该以 int32_t 分辨率执行。 这不是发生的事情。 (int16_t)*(int16_t) 操作被截断为 (int16_t)。 gcc 在 X86 机器中的内部字宽至少为 32b，所以这可能是我在桌面上没有看到人工制品的原因。

AVR 命令行

E:\Programs\AVR\7.0\toolchain\avr8\avr8-gnu-toolchain\bin\avr-g++.exe$(QUOTE) -funsigned-char -funsigned-bitfields -DNDEBUG -I"E:\Programs\AVR\7.0\Packs\atmel\ATmega_DFP\1.3.300\include" -Os -ffunction-sections -fdata-sections -fpack-struct -fshort-enums -Wall -pedantic -mmcu=atmega4809 -B "E:\Programs\AVR\7.0\Packs\atmel\ATmega_DFP\1.3.300\gcc\dev\atmega4809" -c -std=c++11 -fno-threadsafe-statics -fkeep-inline-functions -v -MD -MP -MF "$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.o)" -o "$@" "$<"

问题：

这是兼容 C++ 编译器的实际预期行为，意味着我做错了，还是 avr-g++ 编译器的怪癖？

更新：

各种解决方案的调试器输出

【问题讨论】：

res = (int32_t)0 +op1 *op2; 是 res = (int32_t)0 + (op1 * op2);。在+ 之前计算乘法。但(int32_t) op1 * op2 应该可以工作

【参考方案1】：

这是编译器的预期行为。

当您编写A + B * C 时，由于运算符优先级，这相当于A + (B * C)。 B * C 术语是单独评估的，而不考虑以后将如何使用它。 （否则，很难查看 C/C++ 代码并理解实际会发生什么。）

在 C/C++ 标准中有整数提升规则，有时通过在执行乘法之前将 B 和 C 提升为 int 或 unsigned int 类型来帮助您。这就是为什么您在 x86 gcc 上获得预期结果的原因，其中 int 有 32 位。但是，由于 avr-gcc 中的 int 只有 16 位，因此整数提升对您来说还不够好。因此，您需要将B 或C 转换为int32_t，以确保乘法的结果也是int32_t。例如，您可以这样做：

A + (int32_t)B * C