单片机(MCU)如何才能不死机之对齐访问(Aligned Access)

从一个结构体说起。如下,在STM32F0的程序中,我们定义了一个结构体My_Struct ,那么这个结构体占用多少内存呢?

struct  Struct_Def {

uint8_t    Var_B;

uint16_t   Var_W0;

uint16_t   Var_W1;

uint32_t   Var_DW;

};

struct  Struct_Def My_Struct;

int main(void)

{

My_Struct.Var_B  = 0x01;

My_Struct.Var_W0 = 0x0203;

My_Struct.Var_W1 = 0x0405;

My_Struct.Var_DW = 0x06070809;

while(1);

}

我们粗略一算,1 + 2 + 2 + 4 = 9 Bytes 。

下载到芯片,观察一下变量,似乎没错。

如果有更进一步的好奇心,我们来到内存中实际看一下,可能会有出乎意料的发现:

编译器在Var_B之后插入了一个字节,在Var_W1之后插入了两个字节。这个结构体在内存中实际占用了 1 + 1 + 2 + 2 + 2 + 4 = 12 Bytes 。

为什么会这样呢?这是 ARM Cortex M0体系决定的,它只支持对齐访问 ( Aligned Access )。比如我们访问一个4字节 (Double Word) 型的变量时,如果这个变量的起始地址是能被4整除的话,我们说这种访问是双字节对齐的。如果访问一个2字节 ( Word ) 变量,当起始地址能被2整除时是对齐的。访问字节 ( Byte ) 型变量,总是对齐的。

那么如果进行了非对齐访问呢?那就会产生一个严重错误 ( HardFault ) !!!

大家看一下例子中的这一个赋值语句:

My_Struct.Var_DW = 0x06070809;

它是一个4字节 ( Double Word ) 型的变量赋值。Var_DW这个成员,如果按照在结构体中的顺序,应该紧随Var_W1之后,分配在 0x20000012,但是这个地址是不能被4整除的,所以编译器在填充了2个字节0之后,把Var_DW的起始地址分配在了0x20000014 。

到这里大家肯定会有一个疑问,这样岂不是很浪费RAM吗?RAM又是相对来说价格比较高的。特别是在结构体比较多的情况下,大量的RAM白白浪费了!

还好,在这里我们可以用到伪指令#pragma pack 了。

如下例所示,#pragma pack(1) 将会使结构体中的变量一个字节紧挨着一个字节在内存中分配,而不再考虑是否对齐的问题。可以看到结构体占用从0x2000000C 到0x20000014 的9个字节RAM空间。

#pragma pack(1)

struct  Struct_Def {

uint8_t    Var_B;

uint16_t   Var_W0;

uint16_t   Var_W1;

uint32_t   Var_DW;

};

struct  Struct_Def My_Struct;

#pragma pack()

那么问题来了,当我们读写地址非对齐的变量时,不就会产生HardFault吗?

在这里,编译器采取了曲线救国的方针。大家看下面赋值语句对应的汇编部分就会看到,它用4个STRB指令(单字节操作,无论任何地址都是对齐操作), 代替了1个STR指令(4字节操作)。如此,牺牲了一些效率,但是节省了内存空间。

这种用法节省了RAM,但是带来了一种比较隐蔽的错误。 尤其是当我们用指针方式访问这些变量时,编译器无法发现错误,而且只有当语句实际执行时才会引起问题。所以在使用指针式要特别注意,指针所指向的地址,是否和指针类型所需要的地址对齐方式吻合。

以上面的RAM分配方式为例,非对齐访问时会导致MCU进入 HardFault 。

volatile uint32_t Test_Var;

// 这句是可以正确执行的:

Test_Var = *(uint8_t *)(&My_Struct.Var_B);

// 非对齐访问,进入 HardFault :

Test_Var = *(uint16_t *)(&My_Struct.Var_W0);

// 非对齐访问,进入 HardFault :

Test_Var = *(uint32_t *)(&My_Struct.Var_DW);

对于变量的定义,我们还可以用下面的伪指令把变量以n字节对齐:

__align(n)

大家在实际工程中可以根据实际情况灵活的选择和使用这些伪指令。

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