2023年03月17日 | 单片机(MCU)如何才能不死机之对齐访问(Aligned Access)

2023-03-17 来源：zhihu

从一个结构体说起。如下，在 STM32F0 的程序中，我们定义了一个结构体My_Struct ，那么这个结构体占用多少内存呢？

struct Struct_Def {
uint8_t Var_B;
uint16_t Var_W0;
uint16_t Var_W1;
uint32_t Var_DW;
};
struct Struct_Def My_Struct;
int main(void)
{
My_Struct.Var_B = 0x01;
My_Struct.Var_W0 = 0x0203;
My_Struct.Var_W1 = 0x0405;
My_Struct.Var_DW = 0x06070809;
while(1);
}

我们粗略一算，1 + 2 + 2 + 4 = 9 Bytes 。

下载到芯片，观察一下变量，似乎没错。

如果有更进一步的好奇心，我们来到内存中实际看一下，可能会有出乎意料的发现：

编译器在 Var_B 之后插入了一个字节，在 Var_W1 之后插入了两个字节。这个结构体在内存中实际占用了 1 + 1 + 2 + 2 + 2 + 4 = 12 Bytes 。

为什么会这样呢？这是 ARM Cortex M0 体系决定的，它只支持对齐访问 ( Aligned Access )。比如我们访问一个 4 字节 (Double Word) 型的变量时，如果这个变量的起始地址是能被 4 整除的话，我们说这种访问是双字节对齐的。如果访问一个 2 字节 ( Word ) 变量，当起始地址能被 2 整除时是对齐的。访问字节 ( Byte ) 型变量，总是对齐的。

那么如果进行了非对齐访问呢？那就会产生一个严重错误 ( HardFault ) ！！！

大家看一下例子中的这一个赋值语句：

My_Struct.Var_DW = 0x06070809;

它是一个 4 字节 ( Double Word ) 型的变量赋值。Var_DW 这个成员，如果按照在结构体中的顺序，应该紧随 Var_W1 之后，分配在 0x20000012，但是这个地址是不能被 4 整除的，所以编译器在填充了 2 个字节 0 之后，把 Var_DW 的起始地址分配在了 0x20000014 。

到这里大家肯定会有一个疑问，这样岂不是很浪费 RAM 吗？RAM 又是相对来说价格比较高的。特别是在结构体比较多的情况下，大量的 RAM 白白浪费了！

还好，在这里我们可以用到伪指令 #pragma pack 了。

如下例所示，#pragma pack(1) 将会使结构体中的变量一个字节紧挨着一个字节在内存中分配，而不再考虑是否对齐的问题。可以看到结构体占用从 0x2000000C 到 0x20000014 的9个字节 RAM空间。

#pragma pack(1)
struct Struct_Def {
uint8_t Var_B;
uint16_t Var_W0;
uint16_t Var_W1;
uint32_t Var_DW;
};

struct Struct_Def My_Struct;
#pragma pack()

那么问题来了，当我们读写地址非对齐的变量时，不就会产生 HardFault 吗？

在这里，编译器采取了曲线救国的方针。大家看下面赋值语句对应的汇编部分就会看到，它用 4 个STRB 指令(单字节操作，无论任何地址都是对齐操作)，代替了 1 个 STR 指令 ( 4 字节操作 )。如此，牺牲了一些效率，但是节省了内存空间。

这种用法节省了 RAM，但是带来了一种比较隐蔽的错误。尤其是当我们用指针方式访问这些变量时，编译器无法发现错误，而且只有当语句实际执行时才会引起问题。所以在使用指针式要特别注意，指针所指向的地址，是否和指针类型所需要的地址对齐方式吻合。

以上面的 RAM 分配方式为例，非对齐访问时会导致 MCU 进入 HardFault 。

volatile uint32_t Test_Var;

Test_Var = *(uint8_t *)(&My_Struct.Var_B); // 这句是可以正确执行的

Test_Var = *(uint16_t *)(&My_Struct.Var_W0); // 非对齐访问，进入 HardFault

Test_Var = *(uint32_t *)(&My_Struct.Var_DW); // 非对齐访问，进入 HardFault

对于变量的定义，我们还可以用下面的伪指令把变量以 n 字节对齐：

__align(n)

单片机 MCU 不死机对齐访问

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