引言

在嵌入式系統開發中，結構體作為一種常見的數據組織方式，在內存中的布局方式對于程序性能和內存占用具有重要影響。本文將深入探討單片機C語言中的結構體對齊原理、重要性以及不同的對齊方式，并通過示例演示結構體對齊如何影響內存占用、訪問性能以及傳輸與存儲。同時，我們將關注STM32這樣的嵌入式系統，討論結構體對齊在STM32中的具體體現和如何進行不同對齊方式的設置。

結構體對齊原理

1、為什么需要對齊？

在計算機內存中，數據的存儲通常需要按照一定規則進行，這被稱為內存對齊。內存對齊的目的是為了提高訪問數據的效率，特別是對于硬件平臺而言。不同的處理器架構可能有不同的對齊要求。

2、不同的對齊方式

單字節對齊（Byte Alignment）：每個數據類型從內存的任意地址開始存儲，不需要對齊到特定字節邊界。

雙字節對齊（Half-Word Alignment）：數據類型的變量必須從內存的偶數地址開始存儲，即地址必須是2的倍數。

四字節對齊（Word Alignment）：數據類型的變量必須從內存的4字節邊界開始存儲，即地址必須是4的倍數。

3、結構體對齊示例

下面的C代碼示例演示了不同對齊方式在內存中如何存儲一個簡單的結構體。

#include 


// 結構體定義
struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
};


int main() {
    struct Example e;


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


    return 0;
}

在這個示例中，我們定義了一個名為Example的結構體，包含一個字符a、一個整數b和一個字符c。通過printf語句，我們可以查看不同對齊方式下各成員的地址。該結構體在內存中存儲的方式如下：

喜歡的讀者可以自行打印確定printf的輸出結果，觀察不同的地址有何規律。

4、結構體對齊的影響

（1）內存占用

結構體對齊可以影響內存的占用情況。考慮以下示例：

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


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

在示例1中，int類型需要四字節對齊，因此struct Example1的大小為12字節。而在示例2中，所有成員都是字符類型，無需對齊，因此struct Example2的大小為3字節。這突顯了對齊規則如何影響內存占用。

（2）訪問性能

結構體對齊還會影響訪問性能。在訪問一個結構體變量的成員時，如果成員沒有正確對齊，可能需要多次內存訪問操作，從而降低了訪問速度。合適的對齊可以減少內存訪問次數，提高程序性能。

（3）傳輸和存儲

結構體對齊也會影響數據的傳輸和存儲。當結構體作為數據包進行傳輸時，如果接收端和發送端的對齊方式不一致，可能需要進行字節序轉換，以確保數據的正確傳輸。

這增加了編程的復雜性，因為程序員需要處理不同對齊方式可能導致的字節序問題。

下面是一個傳輸和存儲的C代碼示例，演示了在不同對齊方式下數據的傳輸和存儲：

#include 
#include 


// 結構體定義
struct SensorData {
    uint16_t sensor1;
    uint32_t sensor2;
} __attribute__((packed));  // 使用編譯器指令取消結構體對齊


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


    // 數據存儲到內存中
    uint8_t buffer[sizeof(struct SensorData)];
    memcpy(buffer, &data, sizeof(struct SensorData));


    // 模擬傳輸過程
    // 接收端假設數據是按照雙字節對齊方式接收
    struct SensorData* receivedData = (struct SensorData*)buffer;


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


    return 0;
}

在這個示例中，我們定義了一個SensorData結構體，包含一個16位整數和一個32位整數。使用__attribute__((packed))編譯器指令取消了結構體對齊，以確保數據在內存中是連續存儲的。然后，我們將數據存儲到內存中，并模擬了傳輸過程。接收端假設數據是按照雙字節對齊方式接收，但由于我們取消了對齊，需要進行字節序轉換。

結構體對齊在STM32中的體現

1、外設寄存器對齊要求

在STM32這樣的嵌入式系統中，外設寄存器通常要求雙字節或四字節對齊，以確保寄存器的訪問性能和正確性。不滿足對齊要求可能導致未定義的行為或性能問題。

在STM32中，可以使用編譯器指令來實現對齊設置。例如，在Keil工程中，可以使用__align()指令來指定對齊方式。例如，要將一個結構體成員對齊到4字節邊界，可以這樣定義：

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

2、內存池分配

在嵌入式系統中，經常使用內存池來分配內存。內存池分配會確保分配的內存塊是按照對齊要求進行的，以滿足處理器的要求。這可以防止未對齊內存訪問，提高代碼的穩定性和可靠性。

在STM32中，常用的內存池分配庫如FreeRTOS提供了對齊設置的選項，以確保分配的內存塊滿足處理器的要求。

3、DMA操作

嵌入式系統中常常使用DMA（直接內存訪問）來進行數據傳輸。DMA操作通常要求數據緩沖區是雙字節或四字節對齊的。不滿足對齊要求可能導致DMA傳輸失敗或性能下降。

在STM32中，配置DMA時可以使用寄存器來設置數據對齊方式，以確保DMA傳輸的正確性和性能。

結論

作為嵌入式工程師的我們。在編寫代碼時，程序員需要根據目標硬件平臺的對齊要求。

審核編輯：劉清