嵌入式系統(tǒng)編程的大小端和內(nèi)存對齊問題

C語言是一種高級語言，在大多數(shù)情況下C語言的代碼是和具體的處理器體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的。然而，在嵌入式系統(tǒng)的編程中，有可能涉及對內(nèi)存的具體操作。在大小端和內(nèi)存對齊問題上，C語言就不能屏蔽不同體系結(jié)構(gòu)處理器的差別，也就是說同樣的C語言代碼在不同的體系結(jié)構(gòu)的處理器上，有可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。

大小端問題又叫字節(jié)序的問題。在各種體系結(jié)構(gòu)的處理器中，對多字節(jié)數(shù)據(jù)的內(nèi)存操作有著不同的定義。處理器對內(nèi)存數(shù)據(jù)的操作有讀寫兩種，這就涉及處理器在讀寫一個(gè)多字節(jié)的內(nèi)存的時(shí)候，高字節(jié)是在內(nèi)存的高地址還是低地址。一般在32位或者16位的處理器中，都具有將32位數(shù)據(jù)和16位數(shù)據(jù)讀寫到內(nèi)存中的指令，這時(shí)不同的大小端模式將有不同的結(jié)果。

如果讀寫指令針對的數(shù)據(jù)長度和類型是一致的，無論數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的形式如何，處理器整體讀寫都沒有問題。這種整內(nèi)存協(xié)調(diào)的讀寫操作問題，一般不會(huì)涉及處理器的大小端。

當(dāng)處理器讀寫指令針對的數(shù)據(jù)長度不一致的時(shí)候就會(huì)涉及大小端的問題，例如：

將0x76543210整體放入內(nèi)存，然后在內(nèi)存的首地址用單字節(jié)讀取的命令讀出。

如果不知道大小端模式的情況下，讀取的值是多少你能確定嗎？

這時(shí)就涉及處理器是大端還是小端的問題。

對于小端處理器，寫內(nèi)存的時(shí)候會(huì)將內(nèi)存低地址處放入源數(shù)據(jù)的低字節(jié)，在內(nèi)存的高地址處放入源數(shù)據(jù)的高字節(jié)；讀內(nèi)存的時(shí)候，將內(nèi)存中低地址的數(shù)據(jù)就視為目標(biāo)數(shù)據(jù)的低字節(jié)，對應(yīng)的高地址數(shù)據(jù)是目標(biāo)數(shù)據(jù)的高字節(jié)。

對于大端處理器，跟小端就相反的。內(nèi)存低地址存放數(shù)據(jù)的高字節(jié)，高地址存放數(shù)據(jù)的低字節(jié)。

上面的示例只是處理器自身讀取和寫入內(nèi)存的情況，在更多的情況下，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可能來自外界的輸入，例如：來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包；處理器在寫內(nèi)存的時(shí)候，這塊內(nèi)存也可能是給系統(tǒng)中別的設(shè)備使用的，例如：處理器寫顯示內(nèi)存的情況。這時(shí)，就更需要注意處理器的大小端問題，只有大小端處理協(xié)調(diào)匹配，才能獲得正確的結(jié)果。

在C語言中，使用指針就可以操作內(nèi)存，指針的基本類型long和short分別代表了32位和16位的數(shù)據(jù)。使用16位或32位指針操作內(nèi)存的時(shí)候，同樣涉及內(nèi)存的大小端問題。

上面我們說了一下內(nèi)存讀寫的模式不同，一個(gè)地址存的數(shù)據(jù)不同。

接下來我們說一下內(nèi)存對齊的問題，有人會(huì)說了內(nèi)存對齊不對齊還需要你來管嗎？這個(gè)在寫程序的時(shí)候也是有講究的，那么到底什么是內(nèi)存對齊？為什么要有這個(gè)概念呢，我們來一起學(xué)習(xí)一下吧。

內(nèi)存對齊操作的含義是：對于一個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)，要求其內(nèi)存是4字節(jié)對齊的（地址為4字節(jié)的整數(shù)倍）。32位對齊的含義是其內(nèi)存的地址的最低位是：0x0，0x4，0x8，0xC

16位對齊的含義是其內(nèi)存的地址的最低位是：0x0，0x2，0x4，0x6，0x8，0xA，0xC，0xE

顯然，對于單字節(jié)的內(nèi)存讀寫操作，沒有內(nèi)存對齊的問題。從處理器硬件的角度，處理器更適合處理對齊的內(nèi)存操作。對于非對齊的內(nèi)存操作，不同的處理器則有不同的結(jié)果。

局部變量建立在?？臻g上的，由編譯器分配，一般保證它們都是對齊的。但是在程序中可能出現(xiàn)不對齊的內(nèi)存操作。對于嵌入式系統(tǒng)中常用的ARM體系結(jié)構(gòu)，并不支持不對齊的地址操作，當(dāng)進(jìn)行不對齊的地址訪問的時(shí)候，處理器將引發(fā)異常。

在嵌入式程序的編寫過程中，更需要注意內(nèi)存對齊的問題。對于內(nèi)存操作，使用字節(jié)操作（8bit）不會(huì)有內(nèi)存對齊的問題，但是效率比較低。在32位系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量使用32位的數(shù)據(jù)操作，但這將帶來內(nèi)存對齊的問題，因此需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的內(nèi)存操作。

我們再來說說常糾結(jié)或者容易迷惑的結(jié)構(gòu)體成員的對齊問題。

結(jié)構(gòu)體是一個(gè)基本的語法單元。在32位系統(tǒng)中，編譯器一般會(huì)對結(jié)構(gòu)體的成員變量作一定的對齊處理。例如，在程序中定義如下結(jié)構(gòu)體：

typedef struct _S1

{

char m1;

int m2;

char m3;

short m4;

}S1;

在結(jié)構(gòu)體的定義上，結(jié)構(gòu)體的大小應(yīng)該是各個(gè)結(jié)構(gòu)體成員的大小之和。但是，對于上面這個(gè)結(jié)構(gòu)體S1，它的大小并不等于4個(gè)成員變量之和。在這種定義中，三個(gè)成員變量之和是1+4+2+2=8，但是結(jié)構(gòu)體的大小并不是8字節(jié)。

編譯器在處理結(jié)構(gòu)體的時(shí)候，默認(rèn)將結(jié)構(gòu)體內(nèi)部各個(gè)變量的內(nèi)存都是對齊的，由此在結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部可能出現(xiàn)一些空的字節(jié)。

一般情況下，在結(jié)構(gòu)體含有4字節(jié)長整型成員的時(shí)候，結(jié)構(gòu)體的大小將是4字節(jié)的倍數(shù)。為了對齊可能需要在結(jié)構(gòu)體的最后補(bǔ)充1~3個(gè)字節(jié)。

如果結(jié)構(gòu)體中含有2字節(jié)短整型成員的時(shí)候，結(jié)構(gòu)體的大小將是2字節(jié)的倍數(shù)。為了對齊可能需要在結(jié)構(gòu)體的最后補(bǔ)充一個(gè)字節(jié)。

這個(gè)算字節(jié)數(shù)的一般出現(xiàn)在找工作中的筆試題的概率還是很高的，其實(shí)就是考察的對這個(gè)內(nèi)存對齊的掌握。

責(zé)任編輯：haq