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。
4 f5 I3 b( P! r5 ]6 p
' J! q  J; f* l) j$ C% m- Y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。

/ _0 v' h/ L( |) ^( c

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。

  i+ [+ r7 x+ n! G7 u) q

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. 
   ( M3 v4 U$ a( C4 [* F' G' h! h
3. // 结构体定义
   / r, X) w: a7 y4 ?( c
4. struct Example {
   # g# i4 o9 Y- Q' ~! ?6 }
5.     char a;
   
6.     int b;
   ! b" Q" L4 @7 r" f8 C8 j  r
7.     char c;
   
8. };
   
9. 
   
10. int main() {
    6 v% J; n$ }( V: O+ s
11.     struct Example e;
    0 _& ~! @4 [6 P; g
12. 
    & E+ U0 I; z4 y# L, l
13.     // 计算各成员的地址
    
14.     printf("Address of a: %p\n", &e.a);
    
15.     printf("Address of b: %p\n", &e.b);
    
16.     printf("Address of c: %p\n", &e.c);
    
17. 
    
18.     return 0;
    5 [  t) E4 Z8 v- T' R8 \
19. }

复制代码

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。


该结构体在内存中存储的方式如下：
6 J: \! X1 ~2 _) X0 [1 t

; K& ^/ x' _( {! [0 G

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。

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 {
   
2.     char a;
   ; s- v/ t1 [1 S) r0 q$ c
3.     int b;
   3 y% i+ g: H6 ~) l& \/ X1 v
4.     char c;
   
5. };
   
6. 
   
7. struct Example2 {
   " l! Q! ]  \$ }7 r' H$ ?
8.     char a;
   
9.     char b;
   
10.     char c;
    ' V: c. g9 v9 @# E* x8 [
11. };

复制代码

& d  T# E2 ~2 I3 z0 v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
) ~, N; s, @3 J7 r! q+ ^: a; F. ]; i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。

. m+ Q& d2 B5 i" ]
; m% M8 U: R, ?（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>
   
2. #include <stdint.h>
   
3. 
   
4. // 结构体定义
   
5. struct SensorData {
   2 P3 h% E+ t, P, m5 d; K
6.     uint16_t sensor1;
   
7.     uint32_t sensor2;
   
8. } __attribute__((packed));  // 使用编译器指令取消结构体对齐
   
9. 
   - G/ ?5 L& e, ?: g9 @" p
10. int main() {
    
11.     struct SensorData data;
      O" L3 ~+ t  n
12.     data.sensor1 = 0x1234;
    " H# S/ Q: K9 t3 O) K
13.     data.sensor2 = 0x56789ABC;
    8 D' j- u& S& w* g3 l
14. 
    , \* |2 d* }, X1 [0 O
15.     // 数据存储到内存中
    
16.     uint8_t buffer[sizeof(struct SensorData)];
    
17.     memcpy(buffer, &data, sizeof(struct SensorData));
    3 F1 Y+ `2 o+ |8 u
18. 
    6 N" B9 L4 g4 C1 F! x( w
19.     // 模拟传输过程
    4 K* X9 a/ G  n& I9 @) R8 W& w. E% B
20.     // 接收端假设数据是按照双字节对齐方式接收
    
21.     struct SensorData* receivedData = (struct SensorData*)buffer;
    8 S7 v# K; b, A; B" W
22. 
    9 ~: R3 s7 K( A% Z: I$ y5 F
23.     printf("Received sensor1: 0x%04X\n", receivedData->sensor1);
    3 j- r; _+ ~; G0 Y3 {# `& N( w3 w
24.     printf("Received sensor2: 0x%08X\n", receivedData->sensor2);
    
25. 
    
26.     return 0;
    
27. }

复制代码

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。
' p! b4 @2 X8 B) d/ y
6 J; L4 b- x% ~9 r* j' _4 u6 [* Z  x

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。

, D- A7 d  U3 @7 k' P

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 {
   9 Q9 N' `9 w* ?
2.     char a;
   ! {) J$ I9 ^* L* U: b+ s
3.     int b;
   
4.     char c;
   
5. } __attribute__((aligned(4)));

复制代码

, X: r: V; c+ w6 `5 ^2 c) W( u

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。

; s9 R6 @1 ?$ Z! K

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。

$ T' p: ]1 ^: D  a0 z- e( D- P5 F" R

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。

. L+ m' @4 ?: a0 Z0 V9 k7 P

转载自：嵌入式微处理器

如有侵权请联系删除

example.b应该占用4字节吧？int类型的b是4字节？