如何在嵌入式C語(yǔ)言中使用結(jié)構(gòu)？

本文將首先解釋內(nèi)存訪問(wèn)粒度概念，以便可以了解處理器如何訪問(wèn)內(nèi)存。然后，將進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)對(duì)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(chǔ)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(shí)具有某些約束。這些約束被稱為數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，允許處理器以可能出現(xiàn)在存儲(chǔ)器布局中的一些浪費(fèi)空間（稱為“填充”）為代價(jià)來(lái)更有效地訪問(wèn)變量。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存系統(tǒng)可能比這里介紹的要復(fù)雜得多。本文的目標(biāo)是討論在編寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)時(shí)可能有用的一些基本概念。

內(nèi)存訪問(wèn)粒度

我們通常將內(nèi)存設(shè)想為單字節(jié)存儲(chǔ)位置的集合，如圖1所示。每個(gè)位置都有一個(gè)唯一的地址，允許我們?cè)L問(wèn)該地址的數(shù)據(jù)。

圖1

但是，處理器通常以大于一個(gè)字節(jié)的塊形式訪問(wèn)內(nèi)存。例如，處理器可以以四字節(jié)塊的形式訪問(wèn)內(nèi)存。在這種情況下，我們可以設(shè)想圖1中的12個(gè)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(gè)字節(jié)并向內(nèi)存寫(xiě)入。請(qǐng)注意，在讀取內(nèi)存位置或?qū)懭雰?nèi)存之前，我們需要訪問(wèn)該內(nèi)存單元，并且每次內(nèi)存訪問(wèn)都需要一些時(shí)間。假設(shè)我們想要讀取圖1中存儲(chǔ)器的前八個(gè)字節(jié)。對(duì)于每個(gè)字節(jié)，處理器需要訪問(wèn)內(nèi)存并讀取它。因此，為了讀取前八個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，處理器將必須訪問(wèn)內(nèi)存八次。

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

內(nèi)存訪問(wèn)邊界

硬件設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用另一種重要技術(shù)來(lái)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(wèn)內(nèi)存。例如，處理器可能僅能夠在四字節(jié)邊界上訪問(wèn)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(huì)使系統(tǒng)顯著提高效率嗎？仔細(xì)看看。假設(shè)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(lán)色矩形表示）。如果處理器可以從任意地址開(kāi)始讀取一個(gè)四字節(jié)的塊，那么我們可以訪問(wèn)地址3并通過(guò)單個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)讀取兩個(gè)所需的內(nèi)存位置。但是，如上所述，處理器不能直接訪問(wèn)任意地址；相反，它只在某些邊界訪問(wèn)內(nèi)存。那么如果處理器只能訪問(wèn)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(wèn)邊界限制，處理器必須訪問(wèn)地址為0的內(nèi)存位置并讀取連續(xù)的四個(gè)字節(jié)（地址0到3）。接下來(lái)，它必須使用移位操作將地址3的內(nèi)容與其他三個(gè)字節(jié)（地址0到2）分開(kāi)。類似地，處理器可以訪問(wèn)地址4并從地址4到7讀取另一個(gè)四字節(jié)塊。最后，可以使用移位操作將所需字節(jié)（藍(lán)色矩形）與其他三個(gè)字節(jié)分開(kāi)。

如果沒(méi)有內(nèi)存訪問(wèn)邊界限制，可以用一個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)讀取地址3和地址4。但是，邊界限制迫使處理器兩次訪問(wèn)存儲(chǔ)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(duì)某些邊界的內(nèi)存訪問(wèn)呢？?jī)?nèi)存訪問(wèn)邊界存在限制，因?yàn)閷?duì)地址進(jìn)行某些假設(shè)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。例如，假設(shè)一個(gè)內(nèi)存塊中的所有字節(jié)都需要32位來(lái)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(gè)最低有效位將始終為零（因?yàn)榈刂肥冀K可以被4整除）。因此，我們可以使用30位來(lái)尋址一個(gè)232字節(jié)的內(nèi)存。

數(shù)據(jù)對(duì)齊

既然已經(jīng)知道基本處理器如何訪問(wèn)內(nèi)存，那么下面就可以可以討論數(shù)據(jù)對(duì)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(chǔ)在地址0，4，8，...中; 它不能存儲(chǔ)在地址1，2，3，5 ...... 這些限制簡(jiǎn)化了處理器和內(nèi)存系統(tǒng)之間的接口硬件的設(shè)計(jì)。

例如，考慮一個(gè)具有四字節(jié)內(nèi)存訪問(wèn)粒度的處理器，它只能以四字節(jié)邊界訪問(wèn)內(nèi)存。假設(shè)一個(gè)四字節(jié)變量存儲(chǔ)在地址1，如圖4所示（四個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)四種不同的顏色）。在這種情況下，我們需要兩次內(nèi)存訪問(wèn)和一些額外的工作來(lái)讀取未對(duì)齊的四字節(jié)數(shù)據(jù)（“未對(duì)齊”指它被分成兩個(gè)四字節(jié)塊）。該過(guò)程如圖所示。

圖4

但是，如果將一個(gè)四字節(jié)變量存儲(chǔ)在4的倍數(shù)的任何地址，只需要一個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)來(lái)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(chǔ)在K的倍數(shù)的地址可以提高系統(tǒng)的效率。因此，C語(yǔ)言“char” 變量（只需要一個(gè)字節(jié)）可以存儲(chǔ)在任何字節(jié)地址，但是一個(gè)雙字節(jié)變量必須存儲(chǔ)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(kāi)始，并且八字節(jié)數(shù)據(jù)類型必須存儲(chǔ)在可被8整除的地址。例如，假設(shè)在特定機(jī)器上，“short”變量需要兩個(gè)字節(jié)，“int ”和“float” 類型占用四個(gè)字節(jié)，“l(fā)ong ”、“double”指針占用八個(gè)字節(jié)。這些數(shù)據(jù)類型中的每一種通常應(yīng)具有K的倍數(shù)的地址，其中K由下表給出。

請(qǐng)注意，不同數(shù)據(jù)類型的大小可能因編譯器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不同而不同。sizeof（）運(yùn)算符是查找數(shù)據(jù)類型實(shí)際大小的最佳方法。

結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局

讓我們檢查一下結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局。為32位計(jì)算機(jī)編譯以下結(jié)構(gòu)：

struct Test2{

uint8_t c;

uint32_t d;

uint8_t e;

uint16_t f;

} MyStruct;

我們知道將分配四個(gè)內(nèi)存位置來(lái)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的成員，并且內(nèi)存位置的順序?qū)⑴c聲明成員的順序相匹配。第一個(gè)成員是一個(gè)單字節(jié)變量，可以存儲(chǔ)在任何地址。因此，第一個(gè)可用存儲(chǔ)位置將分配給此變量。假設(shè)，如圖5所示，編譯器為此變量分配地址0。下一個(gè)成員是一個(gè)四字節(jié)數(shù)據(jù)類型，只能存儲(chǔ)在4的倍數(shù)地址。第一個(gè)可用的存儲(chǔ)位置是地址4。但是，這需要不使用地址1、2和3。如你所見(jiàn)，數(shù)據(jù)對(duì)齊要求會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存布局中出現(xiàn)一些浪費(fèi)空間（或填充）。

下一個(gè)成員是e，它是一個(gè)單字節(jié)變量。第一個(gè)可用的存儲(chǔ)位置（圖5中的地址8）分配給此變量。接下來(lái)，我們到達(dá)f，這是一個(gè)雙字節(jié)變量。它可以存儲(chǔ)在可被2整除的地址。第一個(gè)可用空間是地址10。如你所見(jiàn)，為了滿足數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，將出現(xiàn)更多的填充。

圖5

我們期望該結(jié)構(gòu)占用8個(gè)字節(jié)，但實(shí)際上它需要12個(gè)字節(jié)。有趣的是，如果了解數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，我們可能能夠重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序，使內(nèi)存使用效率更高。例如，讓我們重寫(xiě)上面的結(jié)構(gòu)，如下所示，其中成員是從最大的到最小的。

struct Test2 {

uint32_t d;

uint16_t f;

uint8_t c;

uint8_t e;

} MyStruct;

在32位機(jī)器上，上述結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局可能看起來(lái)像圖6中所示的布局。

圖6

第一種結(jié)構(gòu)需要12個(gè)字節(jié)，而新排列只需要8個(gè)字節(jié)。這是一個(gè)顯著的改進(jìn)，特別是在內(nèi)存受限的嵌入式處理器環(huán)境中。另外請(qǐng)注意，結(jié)構(gòu)的最后一個(gè)成員后面可能有一些填充字節(jié)。結(jié)構(gòu)的總大小必須能夠被其最大成員的大小整除?？紤]以下結(jié)構(gòu)：

struct Test3 {

uint32_t c;

uint8_t d;

} MyStruct2;

在這種情況下，內(nèi)存布局將如圖7所示。如你所見(jiàn)，在內(nèi)存布局的末尾添加了三個(gè)填充字節(jié)，以將結(jié)構(gòu)的大小增加到8個(gè)字節(jié)。這將使結(jié)構(gòu)大小可以被結(jié)構(gòu)中較大成員的大小整除（c成員，這是一個(gè)四字節(jié)變量）。

圖7

總結(jié)

處理器通常以大于一個(gè)字節(jié)的塊形式訪問(wèn)內(nèi)存，這可以提高系統(tǒng)效率；處理器訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)使用的數(shù)據(jù)大小是處理器的內(nèi)存訪問(wèn)粒度；處理器可能僅限于在某些邊界（例如，在四字節(jié)邊界）訪問(wèn)內(nèi)存；存在這種內(nèi)存訪問(wèn)限制，因?yàn)閷?duì)地址做出某些假設(shè)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)；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，這些限制簡(jiǎn)化了處理器和內(nèi)存系統(tǒng)之間的接口硬件的設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)對(duì)齊要求導(dǎo)致內(nèi)存布局中出現(xiàn)一些浪費(fèi)空間（或填充）；結(jié)構(gòu)的最后一個(gè)成員后面可以有一些填充字節(jié)，結(jié)構(gòu)的總大小必須能被其最大成員的大小整除。