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【原创】树莓派3B开发Go语言（四）-自写库实现pwm输出

在前一小节中介绍了点亮第一个LED灯，这里我们准备进阶尝试下，输出第一段PWM波形。（PWM也就是脉宽调制，一种可调占空比的技术，得到的效果就是：如果用示波器测量引脚会发现有方波输出，而且高电平、低电平的时间是可调的。）

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这里爪爪熊准备写成一个golang的库，并开源到github上，后续更新将直接更新到github中，如果你有兴趣可以和我联系。 github.com/dpawsbear/bear_rpi_go

我在很多的教程中都看到说树莓派的PWM（硬件）只有一个GPIO能够输出，就是 GPIO1 。这可是不小的打击，因为我想使用至少四个 PWM ，还是不死心，想通过硬件手册上找寻蛛丝马迹，看看究竟怎么回事。

手册上找寻东西稍等下讲述，这里先提供一种方法测试 树莓派3B 的 PWM 方法：用指令控制硬件PWM。

这里通过指令的方式掌握了基本的pwm设置技巧，决定去翻一下手册看看到底PWM怎么回事，这里因为没有 BCM2837 的手册，根据之前文章引用官网所说， BCM2835 和 BCM2837 应该是一样的。这里我们直接翻阅 BCM2835 的手册，直接找到 PWM 章节。找到了如下图：

图中可以看到在博通的命名规则中 GPIO 12、13、18、19、40、41、45、52、53 均可以作为PWM输出。但是只有两路PWM0 PWM1。根据我之前所学知识，不出意外应该是PWM0 和 PWM1可以输出不一样的占空比，但是频率应该是一样的。因为没有示波器，暂时不好测试。先找到下面对应图：

根据以上两个图对比可以发现如下规律：

对照上面的表可以看出从 BCM2837 中印出来的能够使用在PWM上的就这几个了。

为了验证个人猜想是否正确，这里先直接使用指令的模式，模拟配置下是否能够正常输出。

通过上面一系列指令模拟发现，（GPIO1、GPIO26）、（GPIO23、GPIO24）是绑定在一起的，调节任意一个，另外一个也会发生变化。也即是PWM0、PWM1虽然输出了两路，可以理解成两路其实都是连在一个输出口上。这里由于没有示波器或者逻辑分析仪这类设备（仅有一个LED灯），所以测试很简陋，下一步是使用示波器这类东西对频率以及信号稳定性进行下测试。

小节：树莓派具有四路硬件输出PWM能力，但是四路中只能输出两个独立（占空比独立）的PWM，同时四路输出的频率均是恒定的。

上面大概了解清楚了树莓派3B的PWM结构，接下来就是探究如何使用Go语言进行设置。

因为拿到了手册，这里我想直接操作寄存器的方式进行设置，也是顺便学习下Go语言处理寄存器的过程。首先需要拿到pwm 系列寄存器的基地址，但是翻了一圈手册，发现只有偏移，没有找到基地址。

经过了一段时间的努力后，决定写一个 树莓派3B golang包开源放在github上，只需要写相关程序进行调用就可以了，以下是相关demo（pwm）（在GPIO.12 上输出PWM波，放上LED灯会有呼吸灯的效果，具体多少频率还没有进行测试）

以下是demo(pwm) 源码

为什么不用Go语言写单片机程序

单片机不像一些应用软件，和硬件结合十分紧密，必须要求“高效”，所以汇编语言是最好选择，其次就是C语言了。其他语言编译效率都太低，满足不了要求。

Go语言中恰到好处的内存对齐

在开始之前，希望你计算一下 Part1 共占用的大小是多少呢？

输出结果：

这么一算， Part1 这一个结构体的占用内存大小为 1+4+1+8+1 = 15 个字节。相信有的小伙伴是这么算的，看上去也没什么毛病

真实情况是怎么样的呢？我们实际调用看看，如下：

输出结果：

最终输出为占用 32 个字节。这与前面所预期的结果完全不一样。这充分地说明了先前的计算方式是错误的。为什么呢？

在这里要提到 “内存对齐” 这一概念，才能够用正确的姿势去计算，接下来我们详细的讲讲它是什么

有的小伙伴可能会认为内存读取，就是一个简单的字节数组摆放

上图表示一个坑一个萝卜的内存读取方式。但实际上 CPU 并不会以一个一个字节去读取和写入内存。相反 CPU 读取内存是 一块一块读取 的，块的大小可以为 2、4、6、8、16 字节等大小。块大小我们称其为 内存访问粒度 。如下图：

在样例中，假设访问粒度为 4。 CPU 是以每 4 个字节大小的访问粒度去读取和写入内存的。这才是正确的姿势

另外作为一个工程师，你也很有必要学习这块知识点哦 :)

在上图中，假设从 Index 1 开始读取，将会出现很崩溃的问题。因为它的内存访问边界是不对齐的。因此 CPU 会做一些额外的处理工作。如下：

从上述流程可得出，不做 “内存对齐” 是一件有点 "麻烦" 的事。因为它会增加许多耗费时间的动作

而假设做了内存对齐，从 Index 0 开始读取 4 个字节，只需要读取一次，也不需要额外的运算。这显然高效很多，是标准的 空间换时间 做法

在不同平台上的编译器都有自己默认的 “对齐系数”，可通过预编译命令 #pragma pack(n) 进行变更，n 就是代指 “对齐系数”。一般来讲，我们常用的平台的系数如下：

另外要注意，不同硬件平台占用的大小和对齐值都可能是不一样的。因此本文的值不是唯一的，调试的时候需按本机的实际情况考虑

输出结果：

在 Go 中可以调用 unsafe.Alignof 来返回相应类型的对齐系数。通过观察输出结果，可得知基本都是 2^n ，最大也不会超过 8。这是因为我手提（64 位）编译器默认对齐系数是 8，因此最大值不会超过这个数

在上小节中，提到了结构体中的成员变量要做字节对齐。那么想当然身为最终结果的结构体，也是需要做字节对齐的

接下来我们一起分析一下，“它” 到底经历了些什么，影响了 “预期” 结果

在每个成员变量进行对齐后，根据规则 2，整个结构体本身也要进行字节对齐，因为可发现它可能并不是 2^n ，不是偶数倍。显然不符合对齐的规则

根据规则 2，可得出对齐值为 8。现在的偏移量为 25，不是 8 的整倍数。因此确定偏移量为 32。对结构体进行对齐

Part1 内存布局：axxx|bbbb|cxxx|xxxx|dddd|dddd|exxx|xxxx

通过本节的分析，可得知先前的 “推算” 为什么错误？

是因为实际内存管理并非 “一个萝卜一个坑” 的思想。而是一块一块。通过空间换时间（效率）的思想来完成这块读取、写入。另外也需要兼顾不同平台的内存操作情况

在上一小节，可得知根据成员变量的类型不同，其结构体的内存会产生对齐等动作。那假设字段顺序不同，会不会有什么变化呢？我们一起来试试吧 :-)

输出结果：

通过结果可以惊喜的发现，只是 “简单” 对成员变量的字段顺序进行改变，就改变了结构体占用大小

接下来我们一起剖析一下 Part2 ，看看它的内部到底和上一位之间有什么区别，才导致了这样的结果？

符合规则 2，不需要额外对齐

Part2 内存布局：ecax|bbbb|dddd|dddd

通过对比 Part1 和 Part2 的内存布局，你会发现两者有很大的不同。如下：

仔细一看， Part1 存在许多 Padding。显然它占据了不少空间，那么 Padding 是怎么出现的呢？

通过本文的介绍，可得知是由于不同类型导致需要进行字节对齐，以此保证内存的访问边界

那么也不难理解，为什么 调整结构体内成员变量的字段顺序 就能达到缩小结构体占用大小的疑问了，是因为巧妙地减少了 Padding 的存在。让它们更 “紧凑” 了。这一点对于加深 Go 的内存布局印象和大对象的优化非常有帮

GO语言和C++比优缺点在那？

C++适合本地程序的开发。Go语言适合网络程序和本地程序的开发。Go的优点:垃圾回收，语意明确，格式统一。 Go的缺点:效率目前没有C++高，但对于桌面程序而言，效率问题不大，因为硬件已经很快了。c++过于复杂了，加入很多炫技的内容。这些内容脱离了事情的本质。

最明显的就是所谓的面向对象。基于面向对象的工程如果足够大的情况下，会带来很大的耦合度，如果再加上内存管理，多线程等等。项目后期基本上没办法维护和增加功能。

关于c++的语言复杂性，你可以问知乎上的任何一位高手。没一个敢说自己精通c++。你也可以去看一下所有的c++编绎器，没有任何一个敢说自己完全实现了c++的标准。不同的编绎器之间实现细节又不同。所以功能再强大没有实用性，就失去了意义，只会制造更多的问题。

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