嵌入式系统编程的大小端和内存对齐问题

C语言是一种高级语言，在大多数情况下C语言的代码是和具体的处理器体系结构无关的。然而，在嵌入式系统的编程中，有可能涉及对内存的具体操作。在大小端和内存对齐问题上，C语言就不能屏蔽不同体系结构处理器的差别，也就是说同样的C语言代码在不同的体系结构的处理器上，有可能产生不同的结果。

大小端问题又叫字节序的问题。在各种体系结构的处理器中，对多字节数据的内存操作有着不同的定义。处理器对内存数据的操作有读写两种，这就涉及处理器在读写一个多字节的内存的时候，高字节是在内存的高地址还是低地址。一般在32位或者16位的处理器中，都具有将32位数据和16位数据读写到内存中的指令，这时不同的大小端模式将有不同的结果。

如果读写指令针对的数据长度和类型是一致的，无论数据在内存中存放的形式如何，处理器整体读写都没有问题。这种整内存协调的读写操作问题，一般不会涉及处理器的大小端。

当处理器读写指令针对的数据长度不一致的时候就会涉及大小端的问题，例如：

将0x76543210整体放入内存，然后在内存的首地址用单字节读取的命令读出。

如果不知道大小端模式的情况下，读取的值是多少你能确定吗？

这时就涉及处理器是大端还是小端的问题。

对于小端处理器，写内存的时候会将内存低地址处放入源数据的低字节，在内存的高地址处放入源数据的高字节；读内存的时候，将内存中低地址的数据就视为目标数据的低字节，对应的高地址数据是目标数据的高字节。

对于大端处理器，跟小端就相反的。内存低地址存放数据的高字节，高地址存放数据的低字节。

上面的示例只是处理器自身读取和写入内存的情况，在更多的情况下，内存中的数据可能来自外界的输入，例如：来自网络的数据包；处理器在写内存的时候，这块内存也可能是给系统中别的设备使用的，例如：处理器写显示内存的情况。这时，就更需要注意处理器的大小端问题，只有大小端处理协调匹配，才能获得正确的结果。

在C语言中，使用指针就可以操作内存，指针的基本类型long和short分别代表了32位和16位的数据。使用16位或32位指针操作内存的时候，同样涉及内存的大小端问题。

上面我们说了一下内存读写的模式不同，一个地址存的数据不同。

接下来我们说一下内存对齐的问题，有人会说了内存对齐不对齐还需要你来管吗？这个在写程序的时候也是有讲究的，那么到底什么是内存对齐？为什么要有这个概念呢，我们来一起学习一下吧。

内存对齐操作的含义是：对于一个4字节的数据，要求其内存是4字节对齐的（地址为4字节的整数倍）。32位对齐的含义是其内存的地址的最低位是：0x0，0x4，0x8，0xC

16位对齐的含义是其内存的地址的最低位是：0x0，0x2，0x4，0x6，0x8，0xA，0xC，0xE

显然，对于单字节的内存读写操作，没有内存对齐的问题。从处理器硬件的角度，处理器更适合处理对齐的内存操作。对于非对齐的内存操作，不同的处理器则有不同的结果。

局部变量建立在栈空间上的，由编译器分配，一般保证它们都是对齐的。但是在程序中可能出现不对齐的内存操作。对于嵌入式系统中常用的ARM体系结构，并不支持不对齐的地址操作，当进行不对齐的地址访问的时候，处理器将引发异常。

在嵌入式程序的编写过程中，更需要注意内存对齐的问题。对于内存操作，使用字节操作（8bit）不会有内存对齐的问题，但是效率比较低。在32位系统中，应该尽量使用32位的数据操作，但这将带来内存对齐的问题，因此需要根据系统的具体情况选择合适的内存操作。

我们再来说说常纠结或者容易迷惑的结构体成员的对齐问题。

结构体是一个基本的语法单元。在32位系统中，编译器一般会对结构体的成员变量作一定的对齐处理。例如，在程序中定义如下结构体：

typedef struct _S1

{

char m1;

int m2;

char m3;

short m4;

}S1;

在结构体的定义上，结构体的大小应该是各个结构体成员的大小之和。但是，对于上面这个结构体S1，它的大小并不等于4个成员变量之和。在这种定义中，三个成员变量之和是1+4+2+2=8，但是结构体的大小并不是8字节。

编译器在处理结构体的时候，默认将结构体内部各个变量的内存都是对齐的，由此在结构体的内部可能出现一些空的字节。

一般情况下，在结构体含有4字节长整型成员的时候，结构体的大小将是4字节的倍数。为了对齐可能需要在结构体的最后补充1~3个字节。

如果结构体中含有2字节短整型成员的时候，结构体的大小将是2字节的倍数。为了对齐可能需要在结构体的最后补充一个字节。

这个算字节数的一般出现在找工作中的笔试题的概率还是很高的，其实就是考察的对这个内存对齐的掌握。

责任编辑：haq