汉扬编程 C语言入门 嵌入式C语言中数据对齐的概念解析

嵌入式C语言中数据对齐的概念解析

嵌入式C语言中数据对齐的概念解析

我们常常看到“alignment\”,\”endian\”之类的字眼,但很少有C语言教材提到这些概念。实际上它们是与处理器与内存接口,编译器类型密切相关的。

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的,从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问,也可以从任何地址开始。

但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问,这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序的一个接一个的排放,这就是对齐。

考虑这样一个例子: 两个异构的CPU进行通信,定义了这样一个结构来传递消息:

struct Message

{

short opcode;

char subfield;

long message_length;

char version;

short destination_processor;

}message;

用这样一个结构来传递消息貌似非常方便,但也引发了这样一个问题: 若这两种不同的CPU对该结构的定义不一样, 两者就会对消息有不同的理解。有可能导致二义性。引起二义性的原因有下列两点:

1。内存地址对齐

2。大小端定义

大部分16位和32位的CPU不允许将字或者长字存储到内存中的任意地址。比如Motorola 68000不允许将16位的字存储到奇数地址中,将一个16位的字写到奇数地址将引发异常。

实际上,对于c中的字节组织,有这样的对齐规则:

1。单个字节(char)能对齐到任意地址

2。2字节(short)以2字节边界对齐

3。4字节(int,long)以4字节边界对齐

为什么会有上述的限制呢? 理解了内存组织,就会清楚了。

CPU通过地址总线来存取内存中的数据:32位的CPU的地址总线宽度即为32位,标为A[0:31]。在一个总线周期内,CPU从内存读/写32位,但是CPU只能在能够被4整除的地址进行内存访问,这是因为32位CPU不使用地址总线的A1和A2。(比如ARM,它的A[0:1]用于字节选择,用于逻辑控制,而不和存储器相连,存储器连接到A[2:31]。)

因为访问内存的最小单位是字节(byte),A0和A1不使用,那么对于地址来说,最低两位是无效的,所以它只能识别能被4整除的地址了。在4字节中,通过A0和A1确定某一个字节。

各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同:一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐。

其他平台可能没有这种情况,但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐,会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始,如果一个int型(假设为32位系统)如果存放在偶地址开始的地方,那么一个读周期就可以读出这32bit,而如果存放在奇地址开始的地方,就需要2个读周期,并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

嵌入式开发很重要的一点是内存对齐,这是因为精简指令CPU,像MIPS一般来说,所有机器指令都是等长的,数据线访问内存时也是按照访问单元去对齐访问的,这样可以充分利用流水线的优化性能。在出现非对齐访问的时候,这类CPU会直接抛出异常。有时不同CPU之间的移植,指的就是这个工作。

以上就是嵌入式C语言中数据对齐解析的全部内容了,你学会了没有?

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