了解內(nèi)存：如何在嵌入式C語言中使用結(jié)構(gòu)

處理器如何訪問內(nèi)存？了解有關(guān)C語言結(jié)構(gòu)以及如何使用它們的更多信息。
本文將首先解釋內(nèi)存訪問粒度的概念，以便我們可以對(duì)處理器如何訪問內(nèi)存有一個(gè)基本的了解。然后，我們將仔細(xì)研究數(shù)據(jù)對(duì)齊的概念，并研究一些示例結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局。

在上一篇有關(guān)嵌入式C中的結(jié)構(gòu)的文章中，我們觀察到重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序可以更改存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)所需的內(nèi)存量。我們還看到，當(dāng)為結(jié)構(gòu)的成員分配內(nèi)存時(shí)，編譯器具有某些約束。這些被稱為數(shù)據(jù)對(duì)齊要求的約束條件允許處理器以可能在內(nèi)存布局中出現(xiàn)的一些浪費(fèi)空間（稱為“填充”）為代價(jià)更有效地訪問變量。

本文將首先解釋內(nèi)存訪問粒度的概念，以便我們可以對(duì)處理器如何訪問內(nèi)存有一個(gè)基本的了解。然后，我們將仔細(xì)研究數(shù)據(jù)對(duì)齊的概念，并研究一些示例結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局。

值得一提的是，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)可能比這里介紹的復(fù)雜得多。本文的目的是討論一些對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行編程時(shí)可能有用的基本概念。

內(nèi)存訪問粒度

我們通常將內(nèi)存設(shè)想為單字節(jié)存儲(chǔ)位置的集合，如圖1所示。這些位置中的每一個(gè)都有一個(gè)唯一的地址，該地址使我們可以訪問該地址的數(shù)據(jù)。


圖1
但是，處理器通常以大于一個(gè)字節(jié)的塊的形式訪問內(nèi)存。例如，處理器可以按四個(gè)字節(jié)的塊訪問內(nèi)存。在這種情況下，我們可以設(shè)想圖1的12個(gè)連續(xù)字節(jié)，如下圖2所示。


圖2
您可能想知道這兩種處理內(nèi)存的方式有何區(qū)別。在圖1中，處理器一次讀取一個(gè)字節(jié)并將其寫入內(nèi)存。請(qǐng)注意，在讀取或?qū)懭?/span>存儲(chǔ)器位置之前，我們需要訪問該存儲(chǔ)器單元，并且每次訪問存儲(chǔ)器都需要一段時(shí)間。假設(shè)我們要讀取圖1中的內(nèi)存的前八個(gè)字節(jié)。對(duì)于每個(gè)字節(jié)，處理器都需要訪問內(nèi)存并讀取它。因此，要讀取前八個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，處理器將必須訪問存儲(chǔ)器八次。

使用圖2，處理器一次從存儲(chǔ)器中讀取和寫入四個(gè)字節(jié)。因此，為了讀取前四個(gè)字節(jié)，處理器訪問存儲(chǔ)器的地址0，并讀取四個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)位置（地址0至3）。同樣，要讀取下一個(gè)四個(gè)字節(jié)的塊，處理器需要再訪問一次內(nèi)存。它轉(zhuǎn)到地址4，并同時(shí)從地址4到7讀取存儲(chǔ)位置。對(duì)于字節(jié)大小的塊，需要八個(gè)內(nèi)存訪問才能讀取八個(gè)連續(xù)的內(nèi)存字節(jié)。但是，對(duì)于圖2，僅需要兩次內(nèi)存訪問。如上所述，每次內(nèi)存訪問都需要一些時(shí)間。由于圖2所示的內(nèi)存配置減少了訪問次數(shù)，因此可以提高處理效率。

處理器訪問內(nèi)存時(shí)使用的數(shù)據(jù)大小稱為內(nèi)存訪問粒度。圖2描述了具有四字節(jié)內(nèi)存訪問粒度的系統(tǒng)。

內(nèi)存訪問邊界
硬件設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用另一項(xiàng)重要技術(shù)來使處理系統(tǒng)更高效：他們限制處理器，使其只能在特定邊界訪問內(nèi)存。例如，處理器可能只能在四字節(jié)邊界訪問圖2的內(nèi)存，如圖3中的紅色箭頭所示。


圖3
這種邊界限制會(huì)大大提高系統(tǒng)效率嗎？讓我們仔細(xì)看看。假定我們需要讀取地址為3和4（由圖3中的綠色和藍(lán)色矩形表示）的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容。如果處理器可以從任意地址開始讀取四字節(jié)的塊，我們可以訪問地址3并通過一次內(nèi)存訪問來讀取兩個(gè)所需的內(nèi)存位置。但是，如上所述，處理器不能直接訪問任意地址。相反，它僅在特定邊界訪問存儲(chǔ)器。那么，如果處理器只能訪問四個(gè)字節(jié)的邊界，那么它將如何讀取地址3和4的內(nèi)容呢？

由于內(nèi)存訪問邊界的限制，處理器必須訪問地址為0的內(nèi)存位置并讀取四個(gè)連續(xù)的字節(jié)（地址0至3）。接下來，它必須使用移位操作將地址3的內(nèi)容與其他三個(gè)字節(jié)（地址0到2）分開。類似地，處理器可以訪問地址4并從地址4到7讀取另一個(gè)四字節(jié)的塊。最后，可以使用移位操作將所需的字節(jié)（藍(lán)色矩形）與其他三個(gè)字節(jié)分開。

如果沒有內(nèi)存訪問邊界限制，我們可以通過一次內(nèi)存訪問讀取地址3和4。但是，邊界限制迫使處理器兩次訪問內(nèi)存。那么，如果它使數(shù)據(jù)操作更加困難，為什么還要將內(nèi)存訪問限制在某些邊界呢？存在內(nèi)存訪問邊界限制是因?yàn)閷?duì)地址進(jìn)行某些假設(shè)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。例如，假設(shè)需要32位來尋址內(nèi)存塊中的所有字節(jié)。如果我們將地址限制為四字節(jié)邊界，則32位地址的兩個(gè)最低有效位將始終為零（因?yàn)樵摰刂穼⑹冀K被4整除）。因此，我們將能夠使用30位來尋址2 32字節(jié)的內(nèi)存。

數(shù)據(jù)對(duì)齊
既然我們知道基本處理器如何訪問內(nèi)存，我們就可以討論數(shù)據(jù)對(duì)齊要求。通常，任何K字節(jié)的C數(shù)據(jù)類型都必須具有K的倍數(shù)的地址。例如，四字節(jié)的數(shù)據(jù)類型只能存儲(chǔ)在地址0、4、8，…；不能將其存儲(chǔ)在地址1、2、3、5，...。這樣的限制簡(jiǎn)化了處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間接口硬件的設(shè)計(jì)。

例如，考慮具有四字節(jié)內(nèi)存訪問粒度的處理器，該處理器只能在四字節(jié)邊界訪問內(nèi)存。假設(shè)有一個(gè)四字節(jié)變量存儲(chǔ)在地址1中，如圖4所示（這四個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)于四種不同的顏色）。在這種情況下，我們將需要兩次內(nèi)存訪問和一些額外的工作才能讀取未對(duì)齊的四字節(jié)數(shù)據(jù)（“未對(duì)齊”是指將其拆分為兩個(gè)四個(gè)字節(jié)的塊）。該過程如圖所示。


圖4
但是，如果我們將四字節(jié)變量存儲(chǔ)在4的倍數(shù)的任何地址上，則只需要一次內(nèi)存訪問即可修改數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)。

這就是為什么將K字節(jié)數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)在K的倍數(shù)的地址可以使系統(tǒng)效率更高的原因。因此，可以將C語言“char”變量（僅需要一個(gè)字節(jié)）存儲(chǔ)在任何字節(jié)地址，但是必須將兩個(gè)字節(jié)的變量存儲(chǔ)在偶數(shù)地址。四字節(jié)類型必須從可被4整除的地址開始，八字節(jié)數(shù)據(jù)類型必須被存儲(chǔ)在被8整除的地址中。例如，假設(shè)在特定計(jì)算機(jī)上，“short”變量需要兩個(gè)字節(jié)，“int”和“float”類型占用四個(gè)字節(jié)，而“long”，“double””，而指針占據(jù)八個(gè)字節(jié)。這些數(shù)據(jù)類型中的每一個(gè)通常都應(yīng)具有K的倍數(shù)的地址，其中K由下表給出。

請(qǐng)注意，不同數(shù)據(jù)類型的大小可能會(huì)因編譯器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)而異。sizeof（）運(yùn)算符將是查找數(shù)據(jù)類型的實(shí)際大小的最佳方法。

結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局

現(xiàn)在，讓我們檢查一下結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局?？紤]為32位計(jì)算機(jī)編譯以下結(jié)構(gòu)：

structTest2{

uint8_tc;
uint32_td;
uint8_te;
uint16_tf;

}MyStruct;

我們知道將分配四個(gè)內(nèi)存位置以在結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)成員，并且內(nèi)存位置的順序?qū)⑴c聲明成員的順序匹配。第一個(gè)成員是一個(gè)字節(jié)的變量，可以存儲(chǔ)在任何地址。因此，第一個(gè)可用的存儲(chǔ)位置將分配給該變量。假定如圖5所示，編譯器將地址0分配給該變量。下一個(gè)成員是四字節(jié)數(shù)據(jù)類型，只能存儲(chǔ)在4的倍數(shù)的地址上。第一個(gè)可用的存儲(chǔ)位置是地址4。但是，這需要保留地址1、2和3未被使用。如您所見，數(shù)據(jù)對(duì)齊要求導(dǎo)致了內(nèi)存布局中一些浪費(fèi)的空間（或填充）。

下一個(gè)成員是e，它是一個(gè)一字節(jié)的變量?？梢詫⒌谝粋€(gè)可用的存儲(chǔ)位置（圖5中的地址8）分配給該變量。接下來，我們到達(dá)f，它是一個(gè)兩個(gè)字節(jié)的變量?？梢詫⑵浯鎯?chǔ)在可被2整除的地址中。第一個(gè)可用空間是地址10。如您所見，將出現(xiàn)更多的填充以滿足數(shù)據(jù)對(duì)齊要求。


圖5

我們希望該結(jié)構(gòu)占用8個(gè)字節(jié)，但實(shí)際上需要12個(gè)字節(jié)。有趣的是，如果我們了解數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，則可以重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序，并提高內(nèi)存使用效率。例如，讓我們重寫下面的結(jié)構(gòu)，其中成員從最大到最小排列。

structTest2{

uint32_td;
uint16_tf;
uint8_tc;
uint8_te;

}MyStruct;

在32位計(jì)算機(jī)上，上述結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局可能類似于圖6中所示的布局。


圖6
第一個(gè)結(jié)構(gòu)需要12個(gè)字節(jié)，而新結(jié)構(gòu)僅需要8個(gè)字節(jié)。這是一項(xiàng)重大改進(jìn)，尤其是在內(nèi)存受限的嵌入式處理器的情況下。

另外，請(qǐng)注意，結(jié)構(gòu)的最后一個(gè)成員之后可能會(huì)有一些填充字節(jié)。結(jié)構(gòu)的總大小必須被其最大成員的大小整除?？紤]以下結(jié)構(gòu)：

structTest3{

uint32_tc;
uint8_td;

}MyStruct2;

在這種情況下，內(nèi)存布局將如圖7所示。您可以看到，在內(nèi)存布局的末尾添加了三個(gè)填充字節(jié)，以將結(jié)構(gòu)的大小增加到8個(gè)字節(jié)。這將使結(jié)構(gòu)大小可被結(jié)構(gòu)中較大成員（c成員，這是一個(gè)四字節(jié)的變量）的大小整除。


圖7

概要

• 處理器通常以大于一個(gè)字節(jié)的塊的形式訪問內(nèi)存。這樣可以提高系統(tǒng)效率。

• 處理器訪問內(nèi)存時(shí)使用的數(shù)據(jù)大小是處理器的內(nèi)存訪問粒度。

• 處理器可能被限制為僅在某些邊界（例如，在四字節(jié)邊界）訪問存儲(chǔ)器。

• 存在此內(nèi)存訪問限制是因?yàn)閷?duì)地址進(jìn)行某些假設(shè)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

• 通常，任何K字節(jié)的C數(shù)據(jù)類型都必須具有K的倍數(shù)的地址。此類限制簡(jiǎn)化了處理器與內(nèi)存系統(tǒng)之間接口硬件的設(shè)計(jì)。

• 數(shù)據(jù)對(duì)齊要求導(dǎo)致內(nèi)存布局中的某些空間浪費(fèi)（或填充）。

• 結(jié)構(gòu)的最后一個(gè)成員之后可能會(huì)有一些填充字節(jié)。結(jié)構(gòu)的總大小必須被其最大成員的大小整除。