漫谈C变量——对齐（3）

【正文】

　　前面的两篇文章，我们分别介绍了“为什么变量要对齐到它的尺寸大小”，“编译器会怎么处理内存的对齐问题”以及“非对齐是如何产生的和非对齐的后果”，感觉自己错过了重要内容的朋友可以发送关键字“对齐”来复习一下。下面我们来介绍几个于对齐相关的问题：

1. 结构体的对齐

　　在ARM Compiler里面，结构体内的成员并不是简单的对齐到字（Word）或者半字（Half Word），更别提字节了（Byte），结构体的对齐使用以下规则：

• 整个结构体，根据结构体内最大的那个元素来对齐。比如，整个结构体内部最大的元素是WORD，那么整个结构体就默认对齐到4字节。
• 结构体内部，成员变量的排列顺序严格按照定义的顺序进行
• 结构体内部，成员变量自动对齐到自己的大小——这就会导致空隙的产生。 比如：

struct { uint8_t a; uint16_t b; uint8_t c; uint32_t d； } Example;

• 结构体内部，成员变量可以单独指定对齐方式为byte，例如

struct { uint8_t a; uint16_t b __attribute__ ((packed)); uint8_t c; uint32_t d; } Example;

效果就会变成：

2. Cortex-M 中断向量表的对齐

　　Cortex-M中断向量表保存的都是32位的地址，每一个地址指向一个中断处理程序，因此中断向量表的大小必然是4的整倍数。理论上，你有n个中断，就因该有（n+1）*4 个字节大小的中断向量表。然而事情并非这么简单。为了硬件实现的方便：

• 中断向量表的大小必须是2^n (6<n<12) ，也就是128B，256B，512B， 1024B，2048B之一
• 中断向量表的地址必须要对齐到它的大小，比如512Byte大小的中断向量表，其首地址必须要对齐到 0x0200（是0x200的整数倍）

　　为什么会存在这样的限制呢，原因很简单，假设向量号为x的中断被触发了，Cortex-M内核就会用这个x作为下标去访问这个uint32_t的数组，那么这个中断向量具体在内存里面的地址如何计算的呢？

我们认为是这样的：

中断向量地址 = 向量表基地址 + (x * 4)

然而，我们天真了，为了省事，这里的“+”运算被替换成了简单的"或"运算，也就是说，实际的硬件实现是这样的：

中断向量地址 = 向量表基地址 OR (x *4)

这意味着什么呢？加法运算是会进位的！或运算不会。举例来说：

0x01 OR 0x01 = 0x01

而

0x01 + 0x01 = 0x02

当硬件认为系统中向量表应该是512个字节大小时，如果向量表的基地址（通过SCB->VTOR寄存器设置）对齐到了0x0200，那么或运算的结果就与加法是等效的——原因很简单，(x * 4) 的部分不会超过0x0200，因而与加法等效。反之就有问题了。

又由于系统强制要求中断向量表必须最少对齐到128个字节，那么对一个512字节大小的向量表来说，如果仅对齐到128个字节会发生什么呢？——如果前31个中断（包括系统自己的异常）触发了，系统可以正常处理，从第32个中断开始，任何一个触发，系统一定会出错——中断向量的所在的位置算错啦！（注意不是中断处理程序的地址算错了，是保存中断处理程序地址的那个向量所在的内存地址被算错了）

3. Cortex-M MPU 受保护内存区块的对齐

MPU也许你听说过，但你多半没有用过，因为“太！难！用！拉！”，为了硬件实现的方便，MPU每一个Region的设置被加入了一个人为的限制：

• Region的大小必须是 2^n (4<n<33)，也就是32，64...2G, 4G
• Region的基地址必须对齐到它的大小

又来！是的，就是这么坑，所以如果你想用MPU保护一个任意位置任意大小的Memory，比如stack，不好意思，你要用很多个Region一起来拼接……具体怎么拼，说起来都麻烦，何况用……算了不说了。

好消息是，最新的ARMv8-M终于改进了这个反人类的设计，允许用户通过起始地址+终止地址的方法设定任意大小任意位置的Region（当然Region大小必须是32的倍数，这个地址也必须是32的倍数）。可以好好松口气了。

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