一文带你深入了解《C语言对齐与非对齐访问》(ARM指令集)

Posted 2022-02-02 狂奔De鸵鸟

首先你需要知道在什么情况下你才需要用到对齐与非对齐这个概念

typedef struct 
	char* pCmd;				//4个字节												
	char *pCmdPara;         //4个字节           					
	char isFree;			//4个字节												  
AT_QUEUE_ITEM_T;

AT_QUEUE_ITEM_T q[500] = 0; //12*500 = 6000个字节

上面的代码 isFree 会应为对齐的原因填充成4个字节。所以原本只有9*500=4500个字节的数据，在这里硬生生变成了6000个字节，浪费了1500个字节。这对资源本就有限的单片机来说是致命的。

有没有解决方案呢？答案当然是有的。

#pragma pack(1)  //强制一字节对齐
typedef struct 
	char* pCmd;				//4个字节												
	char *pCmdPara;         //4个字节           					
	char isFree;			//1个字节												  
AT_QUEUE_ITEM_T;
#pragma pack()

AT_QUEUE_ITEM_T q[500] = 0; //9*500 = 4500个字节

这里我们使用 #pragma pack(n) 的预编译指令,将结构体强制1字节对齐。

如果用该结构声明的变量要作为参数传递入函数内部怎么办？

IAR 提供了 __packed属性

#pragma pack(1)  //强制一字节对齐
typedef struct 
	char* pCmd;				//4个字节												
	char *pCmdPara;         //4个字节           					
	char isFree;			//1个字节												  
AT_QUEUE_ITEM_T;
#pragma pack()

AT_QUEUE_ITEM_T q[500] = 0; //9*500 = 4500个字节

void test(AT_QUEUE_ITEM_T __packed par )

（备注:关于#pragma pack() 这个预编译指令的详细解释可以看这篇文章。 https://blog.csdn.net/boazheng/article/details/88574234）

你以为到这里就完了？

就这？？

NO！NO！NO！

图样图森破!

首先并不是所有硬件平台都支持非对齐访问，且并不是所有操作都支持非对齐。

所以你首先的知道

什么是数据的对齐和非对齐

下面我们来看一下Cortex-M3与Cortex-M4权威指南 6.6的内容

 

 划重点：

ARM7/9/10只允许对齐传输，Cortex-M3和4 支持非对齐传输，非对齐传输不能在多加载/存储指令，栈操作指令，排他访问指令，位段操作中使用，且非对齐访问会降低性能。

文中没有对加载/存储指令给出明确说明，哪....

什么是加载/存储指令

存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据，加载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作。常用的加载存储指令如下：

那么在Cortex-M3与Cortex-M4权威指南中提到的多加载是什么鬼？

在上表中所有数据类型的是32的都不支持，多载因该就是LDM,LDRD这2个了，存储就是STR,STM，STRD,PUSH。

而STRB,LDRH正是这几个指令的存在才允许你非对齐访问。

我们知道了什么是加载,存储的指令，哪。。。。

什么是排他访问

在Cortex-M3与Cortex-M4权威指南中是这样描述的。

 说人话就是。。。

我们知道临界区使任务有秩序地访问共享资源，避免资源竞争。但全局中断屏蔽不仅需要许多额外的指令周期，而且降低了紧急中断的响应速度。的排他访问旨在改善这一问题。

ARMv7指令集包含三对同步原语 ( synchronization primitives ) 。这三对同步原语分别为：

32位数据读写的 LDREX 和 STREX，
16位数据读写的 LDREXH 和 STREXH，
8位数据读写的 LDREXB 和 STREXB，
此外，还有用于清零排他访问标识的 CLREX 

这些同步原语给多任务提供了一种不阻塞的资源竞争应对方法 —— 排他访问。排他访问实现有保障的 “ 读 - 改 - 写 ” 操作，可以用于信号量、自旋锁等系统服务。

请看图。。。。

 所以我们可以看出排他访问主要用在有嵌入式系统的情况下,信号量,自旋锁，互斥锁等等的应用上。

本文精华所在：

罗里吧嗦的说了这么多干巴巴的感念,到底有什么用？

那就是非对其访问什么时候用，怎么用？什么时候不能用。

1.在IAR中所支持的硬件平台

 这里我们只关注ARM部分。在ARM中在Cortex-M3与Cortex-M4都是支持非对其访问的，但在Cortex-M0不支持。

2.在什么样的情况下不要用。

使用__packed和#pragma pack　有一个显著的缺点#pragma pack是每次访问结构中未对齐的元素都会使用更多的代码，也就是说在在需要高性能的地方最好不要用，如果一定要用，请自己平衡高性能和存储控件之间的矛盾。

其次函数内部直接使用非对其访问会影响出栈入栈，所以可以将非对齐访问的内容放在堆里，比如用Malloc或者静态变量来申明他的实体。

还有，不要对信号量类型的变量使用__packed属性修饰符。

３.什么时候用

例如本文一开始说的可以节省大量空间的地方，还有我们在解析或封装通信字节流的时候，或者需要写入Ｆｌａｓｈ的结构等。。总的来说就是用在需要节约空间的地方。

相关资料阅读：

IAR关于未对其访问的介绍

https://www.iar.com/knowledge/support/technical-notes/compiler/accessing-unaligned-data/

微软关于#pragma pack的介绍

https://docs.microsoft.com/zh-cn/cpp/preprocessor/pack?view=msvc-160

扩展阅读：

关于C语言怎么分配内存的资料

 https://blog.csdn.net/u013098336/article/details/100119749