一个经典嵌入式问题：如何安全读取 64 位计时器
在一个嵌入式系统中，需要读取一个持续自增的 64-bit 硬件计时器。
由于系统只能通过 32-bit MMIO register 访问该计时器，所以硬件把它拆成两个 32-bit 寄存器：
#define TIMER_LOW_ADDR 0x40001000 #define TIMER_HIGH_ADDR 0x40001010其中：
TIMER_LOW 表示 timer[31:0] TIMER_HIGH 表示 timer[63:32]计时器会持续递增。当低 32 位从：
0xFFFFFFFF -> 0x00000000发生回绕时，高 32 位会加 1。
请实现：
uint64_t read_timer(void);要求安全地返回一个一致的 64-bit timer 值。
这个题的考点主要是读取高低位时可能发生的race condition. 考虑以下情况：
硬件寄存器一开始的值比如
HIGH = 0x00000001
LOW = 0xffffffff
先读取HIGH: 读到 0x00000001
然后在读 LOW 之前，timer tick 了一次：
HIGH = 0x00000002
LOW = 0x00000000
再读LOW: 读到 0x00000000
如果直接拼：
0x00000001_00000000这就是错的，因为真实时间已经至少是：
0x00000002_00000000同样的，如果我们先读LOW: 读到 0xffffffff
然后在读 HIGH 之前，timer tick 了一次：
HIGH = 0x00000002
LOW = 0x00000000
再读HIGH: 读到 0x00000002
如果直接拼：
0x00000002_ffffffff这也是错的，因为我们的LOW已经wrap， 应该读成：
0x00000002_00000000解决核心是多读一次 HIGH，并比较两次 HIGH 的值。
如果 hi1 == hi2，说明在读取 LOW 的前后，HIGH 没有变化，也就是 LOW 没有发生 wrap-around 进位。因此 LOW 是在同一个 high epoch 下读取到的，可以安全拼接：
(hi1 << 32) | low
如果 hi1 != hi2，说明在两次读取 HIGH 之间，LOW 发生了 overflow，导致 HIGH 被更新。此时读到的 LOW 可能属于新的 high epoch，而第一次 HIGH 属于旧的 epoch，所以组合结果不一致，需要重新读取，直到两次 HIGH 相等。
为什么不多读一次 LOW？
因为 LOW 一直在变。多读 LOW 只能告诉你“时间过了”，但不能可靠判断有没有跨过0xffffffff -> 0x00000000这个边界。
真正有意义的标志是：HIGH 有没有变化。 因为 HIGH 只在 LOW wrap 时变化。
有了核心思路，实现就变得很简单。
#define TIMER_LOW_ADDR 0x40001000u #define TIMER_HIGH_ADDR 0x40001010u #define LOW32_REG (*(volatile uint32_t *)TIMER_LOW_ADDR) #define HIGH32_REG (*(volatile uint32_t *)TIMER_HIGH_ADDR) uint64_t read_timer(void) { uint32_t hi1, hi2, lo; do { hi1 = HIGH32_REG; lo = LOW32_REG; hi2 = HIGH32_REG; } while (hi1 != hi2); return (((uint64_t)hi1 << 32) | lo); }代码的细节有几点要注意：
- 访问MMIO 寄存器
有了 MMIO memory address 后，需要把地址 cast 成对应宽度的指针：
(volatile uint32_t *)TIMER_LOW_ADDR这里uint32_t *表示一次读取 32-bit；volatile表示这个地址背后的值可能被硬件随时改变，编译器不能缓存、合并或省略读取。
然后通过解引用读取寄存器值：
*(volatile uint32_t *)TIMER_LOW_ADDR所以通常写成宏：
#define LOW32_REG (*(volatile uint32_t *)TIMER_LOW_ADDR)2. 拼接 64-bit 结果
高 32 位要先 cast 成uint64_t，再左移 32 bit：
((uint64_t)hi1 << 32)然后用 bitwise OR 拼接低 32 位：
return (((uint64_t)hi1 << 32) | lo);