引 言

在嵌入式系统开发中，结构体作为一种常见的数据组织方式，在内存中的布局方式对于程序性能和内存占用具有重要影响。

本文将深入探讨单片机C语言中的结构体对齐原理、重要性，以及不同的对齐方式；并通过示例演示结构体对齐如何影响内存占用、访问性能，以及传输与存储。同时，还将关注STM32这样的嵌入式系统，讨论结构体对齐在STM32中的具体体现，以及如何进行不同对齐方式的设置。
! `+ l5 ]& @- v( c5 `0 l, f
  a. y6 b  W) z8 M结构体对齐原理

1、为什么需要对齐？

在计算机内存中，数据的存储通常需要按照一定规则进行，这被称为内存对齐。内存对齐的目的是为了提高访问数据的效率，特别是对于硬件平台而言。不同的处理器架构可能有不同的对齐要求。

2、不同的对齐方式

单字节对齐（Byte Alignment）：每个数据类型从内存的任意地址开始存储，不需要对齐到特定字节边界。

双字节对齐（Half-Word Alignment）：数据类型的变量必须从内存的偶数地址开始存储，即地址必须是2的倍数。

四字节对齐（Word Alignment）：数据类型的变量必须从内存的4字节边界开始存储，即地址必须是4的倍数。

# E: x- R% X7 i& j+ r4 l0 f! g

3、结构体对齐示例

下面的C代码示例演示了不同对齐方式在内存中如何存储一个简单的结构体。

1. #include <stdio.h>
   
2. 
   % m) E4 i/ f1 U% W
3. // 结构体定义
   % a% F( F5 ]4 \5 @9 P1 q6 |) a
4. struct Example {
   * R3 r8 x3 P" j2 L
5.     char a;
   $ j4 q$ T8 p7 L
6.     int b;
   
7.     char c;
   , T" s, \% m! L2 v9 h
8. };
   
9. 
   " a4 c% R1 w3 A. |5 ~
10. int main() {
      l" r6 ^+ H: N, G9 U' ^) l" s
11.     struct Example e;
    
12. 
    
13.     // 计算各成员的地址
    
14.     printf("Address of a: %p\n", &e.a);
      Y  H% v# N9 A' t0 U2 `  U
15.     printf("Address of b: %p\n", &e.b);
    
16.     printf("Address of c: %p\n", &e.c);
    2 ]  [1 ?: |( `$ T
17. 
    ; I+ V, N4 w$ A& y1 G
18.     return 0;
    
19. }

复制代码

3 }# ?" n4 b  _4 ]5 t& j
. G, G% P* b5 S) i; A: Q在这个示例中，我们定义了一个名为Example的结构体，包含一个字符a、一个整数b和一个字符c。通过printf语句，我们可以查看不同对齐方式下各成员的地址。
% I3 |8 m5 c- d+ k  }, Q/ u  o5 A

该结构体在内存中存储的方式如下：
, X6 X: S9 C" Y7 ~1 u2 ]- X4 r) f
! x. K$ \2 b# s& }

8 r- F4 q+ [$ i

喜欢的读者可以自行打印确定printf的输出结果，观察不同的地址有何规律。

% m0 M9 N& m. L

4、结构体对齐的影响

（1）内存占用

结构体对齐可以影响内存的占用情况。考虑以下示例：

1. struct Example1 {
   ( J; C" S; N1 t6 r) |: h
2.     char a;
   & o1 c! F: y: h' d
3.     int b;
   
4.     char c;
   2 F- L' M3 s- @, B" @, l. o; Z9 Y
5. };
   
6. 
   
7. struct Example2 {
   
8.     char a;
   
9.     char b;
   7 I5 f% N+ T5 n# N
10.     char c;
    
11. };

复制代码

在示例1中，int类型需要四字节对齐，因此struct Example1的大小为4字节。而在示例2中，所有成员都是字符类型，无需对齐，因此struct Example2的大小为3字节，这突显了对齐规则如何影响内存占用。

（2）访问性能
1 m$ {" c; @, f9 D结构体对齐还会影响访问性能。在访问一个结构体变量的成员时，如果成员没有正确对齐，可能需要多次内存访问操作，从而降低了访问速度。合适的对齐可以减少内存访问次数，提高程序性能。


（3）传输和存储

结构体对齐也会影响数据的传输和存储。当结构体作为数据包进行传输时，如果接收端和发送端的对齐方式不一致，可能需要进行字节序转换，以确保数据的正确传输。这增加了编程的复杂性，因为程序员需要处理不同对齐方式可能导致的字节序问题。

下面是一个传输和存储的C代码示例，演示了在不同对齐方式下数据的传输和存储：

1. #include <stdio.h>
   * A* ^; ]) ]- T8 R
2. #include <stdint.h>
   
3. 
   
4. // 结构体定义
   
5. struct SensorData {
   
6.     uint16_t sensor1;
   0 L' [) E& i/ O  Z8 S
7.     uint32_t sensor2;
   ( ?; g% `/ @) h; G, u
8. } __attribute__((packed));  // 使用编译器指令取消结构体对齐
   - M) e' ~+ s1 q) t7 p+ j
9. 
     K6 f( S& g2 @2 H
10. int main() {
    
11.     struct SensorData data;
    . {2 o& B& I- X1 g, `9 a
12.     data.sensor1 = 0x1234;
    ' T$ m! F4 ^" n' n- u) w
13.     data.sensor2 = 0x56789ABC;
    
14. 
    , m5 |7 T4 l3 [3 b
15.     // 数据存储到内存中
    , X; a4 f1 I+ O) G: z) Q1 e
16.     uint8_t buffer[sizeof(struct SensorData)];
    # J; N; q8 w2 Q! t
17.     memcpy(buffer, &data, sizeof(struct SensorData));
    
18. 
    5 N3 U* w8 ?: ?- a/ ~& ]
19.     // 模拟传输过程
    . Z  t. ]. }  j' O- N' Q
20.     // 接收端假设数据是按照双字节对齐方式接收
    + G" U: }: m5 n5 m% w; ?) C" m5 K9 X& R; t
21.     struct SensorData* receivedData = (struct SensorData*)buffer;
    
22. 
    4 t* |, L* T. ~% x
23.     printf("Received sensor1: 0x%04X\n", receivedData->sensor1);
    ' l4 Q7 h- s" F0 b- ?+ |
24.     printf("Received sensor2: 0x%08X\n", receivedData->sensor2);
    
25. 
    
26.     return 0;
    4 O+ ~1 M* M+ a
27. }

复制代码

6 T9 i* D; r4 n1 T" Z在这个示例中，我们定义了一个SensorData结构体，包含一个16位整数和一个32位整数。使用__attribute__((packed))编译器指令取消了结构体对齐，以确保数据在内存中是连续存储的。

然后，我们将数据存储到内存中，并模拟了传输过程。接收端假设数据是按照双字节对齐方式接收，但由于我们取消了对齐，需要进行字节序转换。

# [9 J# B3 b; y: _2 D$ [+ e, O

结构体对齐在STM32中的体现

1、外设寄存器对齐要求

在STM32这样的嵌入式系统中，外设寄存器通常要求双字节或四字节对齐，以确保寄存器的访问性能和正确性。不满足对齐要求可能导致未定义的行为或性能问题。

在STM32中，可以使用编译器指令来实现对齐设置。例如，在Keil工程中，可以使用__align()指令来指定对齐方式。例如，要将一个结构体成员对齐到4字节边界，可以这样定义：

1. struct Example {
   0 j. `4 j7 O! v7 @! X* T" Q4 E
2.     char a;
   
3.     int b;
   ' b4 q3 j8 m3 r/ g/ J  o" _/ l
4.     char c;
   8 \' s( L; P; ?' Y: N8 V
5. } __attribute__((aligned(4)));

复制代码

, y, u/ c  w! e5 Q1 `" n

2、内存池分配

在嵌入式系统中，经常使用内存池来分配内存。内存池分配会确保分配的内存块是按照对齐要求进行的，以满足处理器的要求。这可以防止未对齐内存访问，提高代码的稳定性和可靠性。

/ g0 w! O9 v  D

在STM32中，常用的内存池分配库如FreeRTOS提供了对齐设置的选项，以确保分配的内存块满足处理器的要求。

3、DMA操作

嵌入式系统中常常使用DMA（直接内存访问）来进行数据传输。DMA操作通常要求数据缓冲区是双字节或四字节对齐的。不满足对齐要求可能导致DMA传输失败或性能下降。

在STM32中，配置DMA时可以使用寄存器来设置数据对齐方式，以确保DMA传输的正确性和性能。


结 论

总之，作为嵌入式工程师，我们在编写代码时，需要根据目标硬件平台的对齐要求。

( f1 ^. @  G$ k

转载自：嵌入式微处理器

如有侵权请联系删除

) Y8 Y- H+ i& p  F: K  I
* X3 P  C. G" A

example.b应该占用4字节吧？int类型的b是4字节？