位域字节对齐

使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;

2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;

3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式,Dev-C++采取压缩方式;

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;

5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。


有些信息在存储时,并不需要占用一个完整的字节, 而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时,只有0和1 两种状态,用一位二进位即可。为了节省存储空间,并使处理简便,C语言又提供了一种数据结构,称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域,并说明每个区域的位数。每个域有一个域名,允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。
一、位域的定义和位域变量的说明
位域定义与结构定义相仿,其形式为:
struct 位域结构名
{ 位域列表 };
其中位域列表的形式为: 类型说明符 位域名:位域长度
例如:
struct bs
{
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
};
位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明,同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如:
struct bs
{
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
}data;
说明data为bs变量,共占两个字节。其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明:
1. 一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。
例如:
struct bs
{
    unsigned a:4;
    unsigned :0;
    unsigned b:4;
    unsigned c:4;
}
在这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用
4位,c占用4位。
2. 由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是说不能超过8位二进位。
3. 位域可以无位域名,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:
struct k
{
    int a:1;
    int :2;
    int b:3;
    int c:2;
};
从以上分析可以看出,位域在本质上就是一种结构类型, 不过其成员是按二进位分配的。

二、位域的使用
位域的使用和结构成员的使用相同,其一般形式为:
位域变量名·位域名
位域允许用各种格式输出。
main(){
    struct bs
        {
             unsigned a:1;
             unsigned b:3;
             unsigned c:4;
        } bit,*pbit;
    bit.a=1;
    bit.b=7;
    bit.c=15;
    printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);
    pbit=&bit;
    pbit->a=0;
    pbit->b&=3;
    pbit->c|=1;
    printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);
}
上例程序中定义了位域结构bs,三个位域为a,b,c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。( 应注意赋值不能超过该位域的允许范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针方式给位域a重新赋值,赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&=",该行相当于:pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7,与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为3)。同样,程序第16行中使用了复合位运算"|=".之所以要有透析基础知识这么个分栏,就是告诉大家重 在细节的道理,粗略的东西谁都懂,修炼内功为高手的必经之路.
前面的内容存在缺陷,具体还要参考如下文章:
C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字
段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字
段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;
3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方
式,Dev-C++采取压缩方式;
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

typedef struct  AA
{
       unsigned char b1:5;
       unsigned char b2:5;
       unsigned char b3:5;
       unsigned char b4:5;
       unsigned char b5:5;
}AA;

sizeof(AA) 5; 但实际上只用了25位,即4个字节,

(1)typedef struct  AA
{
       unsigned int b1:5;
       unsigned int b2:5;
       unsigned int b3:5;
       unsigned int b4:5;
       unsigned int b5:5;
}AA;

 

(2)typedef struct  AA
{
       unsigned int b1:5;
       unsigned int b2:5;
       unsigned int b3:5;
       unsigned int b4:5;
       unsigned int b5:5;
       unsigned int b6:5;
       unsigned int b7:5;
}AA;

(1)是5个成员,按第一条规则,共占25位,按第五条规则,即sizeof(AA)=4
现把成员加到7个,参考(2),按第一条规则,共占35位,按第五条规则,即sizeof(AA)=8,

 

再看一个例子:

 struct test1

{

char a:1;

char :2;

long b:3;

char c:2;

};

int len = sizeof(test1);

对于上述例子,len的值应该是12.解释如下: 

首先以最长的类型位宽做为偏移量,最长的是long型,占4位,所以不同类型之间应该是4个字节的偏移,即test1应该是4字节的整数倍。 

char a:1; //用一个字节去存储

char :2;  //空域。因为与前面的a的类型相同,而两个位域的位宽相加仍然少于8位,所以依然用1个字节表示

long b:3; //long类型的位宽是4个字节,与前面的char类型不同,所以b与a之间偏移4个字节,它们之间自动补充3个字节 

char c:2; //因为c与b又不同型,以test1中的最长的long类型的位宽进行偏移,所以虽然char只用1个字节就够了

//但依然要占4个字节。

总共是12字节。

 

 

///////////////////////

struct s1

  {

  int i: 8;

  int j: 4;

  int a: 3;

  double b;

  };

  struct s2

  {

  int i: 8;

  int j: 4;

  double b;

  int a:3;

  };

  printf("sizeof(s1)= %d\n", sizeof(s1));

  printf("sizeof(s2)= %d\n", sizeof(s2));

  result: 16, 24

  第一个struct s1

  {

  int i: 8;

  int j: 4;

  int a: 3;

  double b;

  };

  理论上是这样的,首先是i在相对0的位置,占8位一个字节,然后,j就在相对一个字节的位置,由于一个位置的字节数是4位的倍数,因此不用对齐,就放 在那里了,然后是a,要在3位的倍数关系的位置上,因此要移一位,在15位的位置上放下,目前总共是18位,折算过来是2字节2位的样子,由于 double是8 字节的,因此要在相对0要是8个字节的位置上放下,因此从18位开始到8个字节之间的位置被忽略,直接放在8字节的位置了,因此,总共是16字节。



<think>我们正在讨论Tricore Tasking编译器中对的处理,特别是当处于4字节对齐地址段时的初始化操作。根据之前的讨论,我们知道Tricore架构要求对齐访问(通常32),而Tasking编译器会按最小存储单元(如unsigned int)处理。现在,我们聚焦于4字节对齐地址段的情况。 关键点回顾: 1.初始化操作以整存储单元(4字节)为单进行。 2.对于命名:显式初始化有效;若未初始化,静态存储期变量初始化为0,自动存储期变量值未定义。3.未命名(占符)和填充不会被显式初始化,其值取决于内存原有状态。在4字节对齐地址段中,结构体的存储将按照4字节对齐。编译器会将整个结构体视为一个或多个4字节单元。初始化时,如果对整个结构体进行初始化(如使用`={0}`或指定初始化器),则编译器会生成初始化代码,将整个4字节单元写入初始值。 具体操作:-当初始化一个结构体时,编译器会生成对每个4字节存储单元的初始化操作。 -对于每个存储单元,初始化值由该单元内所有命名的初始值组合而成。-未命名和填充在初始化时不会被单独处理,而是作为整个存储单元的一部分。例如,考虑以下4字节对齐的结构体: ```ctypedef struct{unsigned a:10;//命名unsigned:6;//未命名(占)unsigned b:8;//命名//剩余8未使用(填充)} BitFieldStruct;```这个结构体占用4字节(32)。如果我们进行初始化:```cBitFieldStructobj ={ .a =0x3FF,.b=0xFF}; ```编译器会: 1.计算整个4字节单元的值:将a(0x3FF)放在低10,未命名(6)不指定,b(0xFF)放在接下来的8,剩余8(填充)为0(因为静态初始化会将整个单元初始化为0,但注意:未显式初始化的部分在静态初始化中会被初始化为0?)。注意:在静态初始化中,C标准要求未显式初始化的成员初始化为0(包括整型、指针等)。但对于: -命名:如果显式初始化部分成员,则未显式初始化的命名会被初始化为0(C标准规定)。 -未命名和填充:在静态初始化中,整个存储单元会被初始化为0(因为结构体的静态初始化会将其所有字节置0)。但是,在Tasking编译器中,对于结构体的静态初始化,编译器会生成一个32的初始化值,该值由以下组成: -显式初始化的按照其置和宽度设置。-未显式初始化的命名设置为0。 -未命名和填充设置为0。因此,上述初始化实际上相当于:-a=0x3FF (10) -未命名(6)为0- b=0xFF(8)-剩余8(填充)为0所以整个32的值就是:0x0000FFC0FF?我们来计算:-低10:0x3FF ->0x3FF-接着6:0->0-接着8:0xFF->0xFF00?不对,应该是从第16开始(10+6=16)的8:0xFF <<16?实际上,在内存中的布局取决于编译器的实现(大端或小端)。Tricore架构是大端(Big-Endian)模式。 因此,对于大端模式,布局是从高到低(MSB toLSB)?还是从低到高?实际上,的布局与字节序有关,但内的序由编译器决定。Tasking编译器对于Tricore(大端架构)的布局通常是从高到低(MSB first)分配。 假设: -第一个a占据最高1031到22) -未命名占据接下来的621到16) -b占据接下来的815到8)-剩余87到0)为填充那么,初始化后: -a=0x3FF->0x3FF <<(32-10) =0xFFC00000 (但实际只占10,所以是0x3FF<<22)-未命名=0->0- b=0xFF ->0xFF <<8=0x0000FF00-填充=0所以整个32值:0xFFC00000 |0x0000FF00 =0xFFC0FF00但是,注意:在静态初始化时,编译器会直接计算这个32值,并将其作为初始化数据写入obj的4字节存储单元。而对于动态初始化(运行时赋值),如:```cBitFieldStructobj;obj.a=0x3FF; obj.b =0xFF; ```这时,编译器会生成分别写入a和b的指令。由于a和b于同一个32存储单元,写入操作会读取整个32单元,修改对应的,然后写回。在这个过程中:-未命名和填充在读取时是原来的值(可能是随机值),修改a和b时,这些保持不变,然后写回。因此,未命名和填充不会被修改,保持原有值。因此,在4字节对齐地址段中,初始化操作的关键在于: -静态初始化(定义时初始化):整个存储单元被初始化为一个32值,其中未命名和填充被置0(因为未显式初始化的命名也被置0,所以整个单元都是0,然后显式初始化的覆盖对应的)。-动态初始化(运行时赋值):只修改命名,未命名和填充保持不变(可能为非0)。风险:如果该结构体映射到硬件寄存器,动态初始化可能会因为修改部分而改变其他(未命名和填充可能对应硬件保留,必须为0),导致意外行为。安全实践:始终使用静态初始化或对整个存储单元进行写操作(如通过32指针写入整个32值),以确保未命名和填充被正确初始化。 总结TricoreTasking编译器对4字节对齐地址段的初始化:1. **静态初始化**:整个4字节单元被初始化为0,然后根据初始化列表设置命名的值。因此,未命名和填充被初始化为0。 2. **动态初始化**:通过成员赋值,只修改命名,未命名和填充保持不变(可能为非0)。因此,在硬件寄存器映射中,应使用静态初始化或直接使用32访问来初始化整个寄存器,以避免保留被写入随机值。相关问题:1.在TricoreTasking编译器中,如何确保结构体的填充被初始化为0?2.如何查看Tricore Tasking编译器为结构体生成的内存布局?3.在硬件寄存器映射中,使用结构体进行动态初始化有什么风险?4.Tricore架构的大端模式如何影响序?</think>### Tricore Tasking编译器中对4字节对齐地址段的初始化操作 在Tricore Tasking编译器中,当结构体于4字节对齐地址段时,初始化操作遵循特定的内存访问规则和优化策略,其核心机制如下: #### 1. **内存访问粒度与对齐要求** - Tricore架构要求**4字节对齐访问**(32),Tasking编译器将结构体视为一个或多个4字节存储单元[^1]。 - 初始化操作以**整存储单元**为单执行: ```c typedef struct { unsigned a : 10; // a (0-9) unsigned : 6; // 未命名 (10-15) unsigned b : 8; // b (16-23) // 剩余8为填充 (24-31) } AlignedBitField; // 静态初始化 AlignedBitField obj = { .a = 0x3FF, .b = 0xFF }; ``` 编译器将整个32存储单元初始化为`0x00FFC0FF`(大端序): - `a=0x3FF` → 低10 - 未命名 → 显式初始化为0 - `b=0xFF` → 后续8 - 填充 → 初始化为0 #### 2. **初始化类型差异** | 初始化方式 | 命名 | 未命名/填充 | 存储单元处理 | |------------------|-------------------------|-------------------------|--------------------------| | **静态初始化** | 显式赋值 | 强制置0 | 整单元写入初始化值 | | **动态初始化** | 显式赋值 | 保持原内存值 | 读-修改-写部分 | | **未初始化** | 全局变量=0,局部变量=随机 | 随机值 | 无操作 | #### 3. **端序影响** Tricore采用**大端序(Big-Endian)**,布局遵循: - 最高有效(MSB)对应起始 - 4字节单元内偏移计算: ``` 置 = (存储单元地址 × 32) + (31 - 偏移) ``` 例如`b`(偏移16-23)在地址`0x1000`的实际置: $$ \text{物理} = (0x1000 \times 32) + (31 - 16) = 0x20000 + 15 $$ #### 4. **编译器优化策略** - **合并初始化**:连续赋值合并为单条32存储指令 ```assembly MOV D0, 0x00FFC0FF ; 加载整单元值 ST.W [A0], D0 ; 32存储 ``` - **填充处理**:静态初始化时填充强制置0,动态初始化时保留原值 #### 5. **硬件寄存器映射风险** 当映射硬件寄存器时: ```c volatile AlignedBitField* reg = (volatile AlignedBitField*)0xF0000000; reg->a = 1; // 动态初始化 ``` 可能触发**读-修改-写操作**: 1. 读取整个32寄存器值 2. 修改a对应的 3. 写回完整32值 → **未命名/填充被意外写入随机值** #### 安全实践 ```c // 安全初始化方案 #define REG_ADDR 0xF0000000 *(volatile uint32_t*)REG_ADDR = 0; // 整单元清零 AlignedBitField safe_init = { .a = 1, .reserved = 0, // 显式命名预留 .b = 0 }; *(volatile uint32_t*)REG_ADDR = *(uint32_t*)&safe_init; // 整单元写入 ``` ### 总结 Tricore Tasking编译器处理4字节对齐时: 1. 静态初始化 → 整单元写入(未命名/填充置0) 2. 动态初始化 → 读-修改-写(保留未命名/填充原值) 3. 端序影响物理置计算 4. 硬件寄存器需整单元操作避免保留污染[^1] --- ### 相关问题 1. 如何验证Tricore Tasking编译器生成的内存布局? 2. 在Tricore大端架构下,偏移地址如何计算? 3. 硬件寄存器映射时,如何避免操作的读-修改-写风险? 4. Tasking编译器提供哪些调试选项查看初始化生成的汇编代码? [^1]: 内存访问粒度和初始化策略基于Tricore架构对齐要求及C标准实现细节 [^2]: 端序影响和硬件风险缓解方案参考嵌入式系统开发实践
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