c++ - 如何在嵌入式系统上创建指向寄存器的 constexpr 指针

Question

我希望能够将一个类配置为能够访问其成员函数中的硬件。假设我们有一个 avr 设备，我们可以在其中简单地访问硬件，如 PORTA = 0x00;它写了一个 0x00到io内存空间。该问题对于每种嵌入式内存 io 访问都是通用的，而不是特定于 avr。
但是如果我现在想使用一个可以参数化的类，似乎 C++ 已经关闭了所有的门，因为似乎根本不可能定义任何类型的指针类型并再给它们一个 constexpr 值。
之前的一些编译器版本，我们能够运行这样的代码:constexpr reference to avr port address
但是现在所有尝试为 constexpr 值的指针赋值都失败了，因为 reinterpret_cast在这种情况下不能再使用。
作为一个肮脏的黑客，我尝试过但失败了:

struct ONE 
{
    static constexpr volatile uint8_t* helper=nullptr;
    static constexpr volatile uint8_t* portc=&helper[100];
};

失败:

x.cpp:6:57: error: arithmetic involving a null pointer in '0'
    6 |     static constexpr volatile uint8_t* portc=&helper[100];

也失败:

 // for AVR PORTB is defined in io.h like:
 #define PORTB (*(volatile uint8_t *)((0x05) + 0x20))

 constexpr volatile uint8_t* ptr=&PORTB;

失败:

x.cpp: In function 'int main()':
x.cpp:15:37: error: 'reinterpret_cast<volatile uint8_t* {aka volatile unsigned char*}>(56)' is not a constant expression
   15 |     constexpr volatile uint8_t* ptr=&PORTB;

直接让我找到 reinterpret_cast<volatile uint8_t*>(37)' is not a constant expression .而且还没有任何解决办法!
我的目标非常非常简单:
编写一些可以配置为使用特定寄存器的类，例如:

template < volatile uint8_t* REG>
class X
{
    public:
        X() { REG = 0x02; }
};

如果我们不能再将指针值定义为 constexpr 值，我们就不能在模板中使用它们，也不能直接使用它们。这意味着，我们只有运行时变量，无法再优化，并且始终需要 ram 和 flash 中的空间。这对于非常小的嵌入式系统是 Not Acceptable 。
如果事实确实如此，那么唯一的工作方法就是真正使用c-宏？我不敢相信我的代码都不会再工作了……而且如果不使用 C 宏，将来也永远不会工作。
我目前使用 avr-g++ (Fedora 10.2.0-1.fc33) 10.2.0但似乎，从我所有的阅读来看，如果在 C++17 模式下使用它是正确的行为。

Answer 1

我认为这在 C++17 中根本不可能。但是，如果您愿意切换到 C++20，则有一种可能的解决方法。而不是锻造一个constexpr直接指针，创建一个自定义类型来表示它，当constexpr时，它会第一时间转换为指针。上下文剩下:

#include <cstdint>

template <typename T>
struct fixed_ptr {
    std::uintptr_t m_value;

    inline constexpr fixed_ptr(std::uintptr_t p): m_value(p) {}

    inline operator T * () const {
        return reinterpret_cast<T *>(m_value);
    }
};

然后不是直接为模板参数指定类型，而是通过一个概念对其进行约束:

#include <utility>
#include <cstdint>

template <typename T, typename U>
concept pointerish = std::is_same_v<U &, decltype(*std::declval<T>())>;

template <pointerish<volatile std::uint8_t> auto REG>
class X {
    public:
        X() { *REG = 0x02; }
};

volatile std::uint8_t x;

auto p = X<fixed_ptr<volatile std::uint8_t>(5)>();
auto q = X<&x>();

在 -O1在直接指针上使用类包装器应该没有开销:内联会处理它。