引言

在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，結(jié)構(gòu)體作為一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)組織方式，在內(nèi)存中的布局方式對(duì)于程序性能和內(nèi)存占用具有重要影響。本文將深入探討單片機(jī)C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體對(duì)齊原理、重要性以及不同的對(duì)齊方式，并通過(guò)示例演示結(jié)構(gòu)體對(duì)齊如何影響內(nèi)存占用、訪(fǎng)問(wèn)性能以及傳輸與存儲(chǔ)。同時(shí)，我們將關(guān)注STM32這樣的嵌入式系統(tǒng)，討論結(jié)構(gòu)體對(duì)齊在STM32中的具體體現(xiàn)和如何進(jìn)行不同對(duì)齊方式的設(shè)置。

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊原理

1、為什么需要對(duì)齊？

在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通常需要按照一定規(guī)則進(jìn)行，這被稱(chēng)為內(nèi)存對(duì)齊。內(nèi)存對(duì)齊的目的是為了提高訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的效率，特別是對(duì)于硬件平臺(tái)而言。不同的處理器架構(gòu)可能有不同的對(duì)齊要求。

2、不同的對(duì)齊方式

單字節(jié)對(duì)齊（Byte Alignment）：每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型從內(nèi)存的任意地址開(kāi)始存儲(chǔ)，不需要對(duì)齊到特定字節(jié)邊界。

雙字節(jié)對(duì)齊（Half-Word Alignment）：數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量必須從內(nèi)存的偶數(shù)地址開(kāi)始存儲(chǔ)，即地址必須是2的倍數(shù)。

四字節(jié)對(duì)齊（Word Alignment）：數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量必須從內(nèi)存的4字節(jié)邊界開(kāi)始存儲(chǔ)，即地址必須是4的倍數(shù)。

3、結(jié)構(gòu)體對(duì)齊示例

下面的C代碼示例演示了不同對(duì)齊方式在內(nèi)存中如何存儲(chǔ)一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體。

#include 


// 結(jié)構(gòu)體定義
struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
};


int main() {
    struct Example e;


    // 計(jì)算各成員的地址
    printf("Address of a: %p
", &e.a);
    printf("Address of b: %p
", &e.b);
    printf("Address of c: %p
", &e.c);


    return 0;
}

在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè)名為Example的結(jié)構(gòu)體，包含一個(gè)字符a、一個(gè)整數(shù)b和一個(gè)字符c。通過(guò)printf語(yǔ)句，我們可以查看不同對(duì)齊方式下各成員的地址。該結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中存儲(chǔ)的方式如下：

喜歡的讀者可以自行打印確定printf的輸出結(jié)果，觀(guān)察不同的地址有何規(guī)律。

4、結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的影響

（1）內(nèi)存占用

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊可以影響內(nèi)存的占用情況?？紤]以下示例：

struct Example1 {
    char a;
    int b;
    char c;
};


struct Example2 {
    char a;
    char b;
    char c;
};

在示例1中，int類(lèi)型需要四字節(jié)對(duì)齊，因此struct Example1的大小為12字節(jié)。而在示例2中，所有成員都是字符類(lèi)型，無(wú)需對(duì)齊，因此struct Example2的大小為3字節(jié)。這突顯了對(duì)齊規(guī)則如何影響內(nèi)存占用。

（2）訪(fǎng)問(wèn)性能

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊還會(huì)影響訪(fǎng)問(wèn)性能。在訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量的成員時(shí)，如果成員沒(méi)有正確對(duì)齊，可能需要多次內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)操作，從而降低了訪(fǎng)問(wèn)速度。合適的對(duì)齊可以減少內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)，提高程序性能。

（3）傳輸和存儲(chǔ)

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊也會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。當(dāng)結(jié)構(gòu)體作為數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸時(shí)，如果接收端和發(fā)送端的對(duì)齊方式不一致，可能需要進(jìn)行字節(jié)序轉(zhuǎn)換，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

這增加了編程的復(fù)雜性，因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1730/" target="_blank">程序員需要處理不同對(duì)齊方式可能導(dǎo)致的字節(jié)序問(wèn)題。

下面是一個(gè)傳輸和存儲(chǔ)的C代碼示例，演示了在不同對(duì)齊方式下數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)：

#include 
#include 


// 結(jié)構(gòu)體定義
struct SensorData {
    uint16_t sensor1;
    uint32_t sensor2;
} __attribute__((packed));  // 使用編譯器指令取消結(jié)構(gòu)體對(duì)齊


int main() {
    struct SensorData data;
    data.sensor1 = 0x1234;
    data.sensor2 = 0x56789ABC;


    // 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中
    uint8_t buffer[sizeof(struct SensorData)];
    memcpy(buffer, &data, sizeof(struct SensorData));


    // 模擬傳輸過(guò)程
    // 接收端假設(shè)數(shù)據(jù)是按照雙字節(jié)對(duì)齊方式接收
    struct SensorData* receivedData = (struct SensorData*)buffer;


    printf("Received sensor1: 0x%04X
", receivedData->sensor1);
    printf("Received sensor2: 0x%08X
", receivedData->sensor2);


    return 0;
}

在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè)SensorData結(jié)構(gòu)體，包含一個(gè)16位整數(shù)和一個(gè)32位整數(shù)。使用__attribute__((packed))編譯器指令取消了結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，以確保數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是連續(xù)存儲(chǔ)的。然后，我們將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中，并模擬了傳輸過(guò)程。接收端假設(shè)數(shù)據(jù)是按照雙字節(jié)對(duì)齊方式接收，但由于我們?nèi)∠藢?duì)齊，需要進(jìn)行字節(jié)序轉(zhuǎn)換。

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊在STM32中的體現(xiàn)

1、外設(shè)寄存器對(duì)齊要求

在STM32這樣的嵌入式系統(tǒng)中，外設(shè)寄存器通常要求雙字節(jié)或四字節(jié)對(duì)齊，以確保寄存器的訪(fǎng)問(wèn)性能和正確性。不滿(mǎn)足對(duì)齊要求可能導(dǎo)致未定義的行為或性能問(wèn)題。

在STM32中，可以使用編譯器指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)齊設(shè)置。例如，在Keil工程中，可以使用__align()指令來(lái)指定對(duì)齊方式。例如，要將一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊到4字節(jié)邊界，可以這樣定義：

struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
} __attribute__((aligned(4)));

2、內(nèi)存池分配

在嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)常使用內(nèi)存池來(lái)分配內(nèi)存。內(nèi)存池分配會(huì)確保分配的內(nèi)存塊是按照對(duì)齊要求進(jìn)行的，以滿(mǎn)足處理器的要求。這可以防止未對(duì)齊內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，提高代碼的穩(wěn)定性和可靠性。

在STM32中，常用的內(nèi)存池分配庫(kù)如FreeRTOS提供了對(duì)齊設(shè)置的選項(xiàng)，以確保分配的內(nèi)存塊滿(mǎn)足處理器的要求。

3、DMA操作

嵌入式系統(tǒng)中常常使用DMA（直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DMA操作通常要求數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是雙字節(jié)或四字節(jié)對(duì)齊的。不滿(mǎn)足對(duì)齊要求可能導(dǎo)致DMA傳輸失敗或性能下降。

在STM32中，配置DMA時(shí)可以使用寄存器來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)對(duì)齊方式，以確保DMA傳輸?shù)恼_性和性能。

結(jié)論

作為嵌入式工程師的我們。在編寫(xiě)代碼時(shí)，程序員需要根據(jù)目標(biāo)硬件平臺(tái)的對(duì)齊要求。

審核編輯：劉清