在嵌入式C語言中使用結(jié)構(gòu)的方法

本文將首先解釋內(nèi)存訪問粒度概念，以便可以了解處理器如何訪問內(nèi)存。然后，將進一步了解數(shù)據(jù)對齊的概念，并研究一些示例結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局。在之前關(guān)于嵌入式C中結(jié)構(gòu)的文章中，了解到重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序可以改變存儲結(jié)構(gòu)所需的內(nèi)存量。還將看到編譯器在為結(jié)構(gòu)成員分配內(nèi)存時具有某些約束。這些約束被稱為數(shù)據(jù)對齊要求，允許處理器以可能出現(xiàn)在存儲器布局中的一些浪費空間（稱為“填充”）為代價來更有效地訪問變量。計算機的內(nèi)存系統(tǒng)可能比這里介紹的要復雜得多。本文的目標是討論在編寫嵌入式系統(tǒng)時可能有用的一些基本概念。

內(nèi)存訪問粒度

我們通常將內(nèi)存設想為單字節(jié)存儲位置的集合，如圖1所示。每個位置都有一個唯一的地址，允許我們訪問該地址的數(shù)據(jù)。

圖1

但是，處理器通常以大于一個字節(jié)的塊形式訪問內(nèi)存。例如，處理器可以以四字節(jié)塊的形式訪問內(nèi)存。在這種情況下，我們可以設想圖1中的12個連續(xù)字節(jié)，如下面的圖2所示。

圖2

你可能想知道這兩種處理內(nèi)存的方式之間有什么區(qū)別。使用圖1，處理器一次讀取一個字節(jié)并向內(nèi)存寫入。請注意，在讀取內(nèi)存位置或?qū)懭雰?nèi)存之前，我們需要訪問該內(nèi)存單元，并且每次內(nèi)存訪問都需要一些時間。假設我們想要讀取圖1中存儲器的前八個字節(jié)。對于每個字節(jié)，處理器需要訪問內(nèi)存并讀取它。因此，為了讀取前八個字節(jié)的內(nèi)容，處理器將必須訪問內(nèi)存八次。

在圖2中，處理器一次讀取4個字節(jié)并將其寫入內(nèi)存。因此，為了讀取前四個字節(jié)，處理器訪問存儲器的地址0并讀取四個連續(xù)的存儲位置（地址0到3）。同樣，要讀取下一個四字節(jié)塊，處理器需要再次訪問內(nèi)存。它轉(zhuǎn)到地址4并同時從地址4到7讀取存儲位置。對于字節(jié)大小的塊，需要8次內(nèi)存訪問來讀取連續(xù)8個字節(jié)的內(nèi)存。但是，使用圖2，只需要兩次內(nèi)存訪問。如上所述，每次內(nèi)存訪問都需要一些時間。由于圖2中所示的存儲器配置減少了訪問次數(shù)，因此可以提高處理效率。處理器在訪問內(nèi)存時使用的數(shù)據(jù)大小稱為內(nèi)存訪問粒度。圖2描繪了具有四字節(jié)存儲器訪問粒度的系統(tǒng)。

內(nèi)存訪問邊界

硬件設計人員經(jīng)常采用另一種重要技術(shù)來提高處理系統(tǒng)的效率：它們限制處理器，使其只能在某些邊界訪問內(nèi)存。例如，處理器可能僅能夠在四字節(jié)邊界上訪問圖2的內(nèi)存，如圖3中的紅色箭頭所示。

圖3

這種邊界限制會使系統(tǒng)顯著提高效率嗎？仔細看看。假設我們需要讀取地址為3和4的內(nèi)存位置的內(nèi)容（由圖3中的綠色和藍色矩形表示）。如果處理器可以從任意地址開始讀取一個四字節(jié)的塊，那么我們可以訪問地址3并通過單個內(nèi)存訪問讀取兩個所需的內(nèi)存位置。但是，如上所述，處理器不能直接訪問任意地址；相反，它只在某些邊界訪問內(nèi)存。那么如果處理器只能訪問四字節(jié)邊界，它將如何讀取地址3和4的內(nèi)容？

由于內(nèi)存訪問邊界限制，處理器必須訪問地址為0的內(nèi)存位置并讀取連續(xù)的四個字節(jié)（地址0到3）。接下來，它必須使用移位操作將地址3的內(nèi)容與其他三個字節(jié)（地址0到2）分開。類似地，處理器可以訪問地址4并從地址4到7讀取另一個四字節(jié)塊。最后，可以使用移位操作將所需字節(jié)（藍色矩形）與其他三個字節(jié)分開。

如果沒有內(nèi)存訪問邊界限制，可以用一個內(nèi)存訪問讀取地址3和地址4。但是，邊界限制迫使處理器兩次訪問存儲器。那么，如果數(shù)據(jù)操作變得更加困難，為什么需要限制對某些邊界的內(nèi)存訪問呢？內(nèi)存訪問邊界存在限制，因為對地址進行某些假設可以簡化硬件設計。例如，假設一個內(nèi)存塊中的所有字節(jié)都需要32位來尋址。如果將地址限制為四字節(jié)邊界，那么32位地址中的兩個最低有效位將始終為零（因為地址始終可以被4整除）。因此，我們可以使用30位來尋址一個232字節(jié)的內(nèi)存。

數(shù)據(jù)對齊

既然已經(jīng)知道基本處理器如何訪問內(nèi)存，那么下面就可以可以討論數(shù)據(jù)對齊要求。通常，任何K字節(jié)C數(shù)據(jù)類型必須具有K的倍數(shù)的地址。例如，四字節(jié)數(shù)據(jù)類型只能存儲在地址0，4，8，中;它不能存儲在地址1，2，3，5。這些限制簡化了處理器和內(nèi)存系統(tǒng)之間的接口硬件的設計。

例如，考慮一個具有四字節(jié)內(nèi)存訪問粒度的處理器，它只能以四字節(jié)邊界訪問內(nèi)存。假設一個四字節(jié)變量存儲在地址1，如圖4所示（四個字節(jié)對應四種不同的顏色）。在這種情況下，我們需要兩次內(nèi)存訪問和一些額外的工作來讀取未對齊的四字節(jié)數(shù)據(jù)（“未對齊”指它被分成兩個四字節(jié)塊）。該過程如圖所示。

圖4

但是，如果將一個四字節(jié)變量存儲在4的倍數(shù)的任何地址，只需要一個內(nèi)存訪問來修改數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)。所以將K字節(jié)數(shù)據(jù)類型存儲在K的倍數(shù)的地址可以提高系統(tǒng)的效率。因此，C語言“char”變量（只需要一個字節(jié)）可以存儲在任何字節(jié)地址，但是一個雙字節(jié)變量必須存儲在偶數(shù)地址中。四字節(jié)類型必須從可被4整除的地址開始，并且八字節(jié)數(shù)據(jù)類型必須存儲在可被8整除的地址。例如，假設在特定機器上，“short”變量需要兩個字節(jié)，“int”和“float”類型占用四個字節(jié)，“l(fā)ong”、“double”指針占用八個字節(jié)。這些數(shù)據(jù)類型中的每一種通常應具有K的倍數(shù)的地址，其中K由下表給出。

請注意，不同數(shù)據(jù)類型的大小可能因編譯器和計算機體系結(jié)構(gòu)的不同而不同。sizeof（）運算符是查找數(shù)據(jù)類型實際大小的最佳方法。
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