打包结构的联合

Question

我想创建一个具有不同大小的不同结构的数组。

生成的数组必须紧密打包，结构之间没有空值。

整个东西必须在编译时初始化，所以它可以驻留在嵌入式系统的闪存中。

结果是一棵 USB 配置描述符树，每个描述符都紧跟在最后一个之后，以生成单个配置 blob。欢迎提出解决该问题的不同方法的建议。 http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb5.shtml#ConfigurationDescriptors

struct a {
    uint16_t some_field;
};
struct b {
    uint32_t another_field;
};
union detail {
    struct a a;
    struct b b;
};
const union detail configuration[] = {
    { .a = { .some_field = 23 } },
    { .b = { .another_field = 12 } }
};

以上示例是我当前失败尝试的显着简化版本。数组的每个元素都是最大联合成员的大小。所以每个数组成员都是 32 位，第一个条目用零填充。

当前输出1700 0000 0c00 0000

期望的输出1700 0c00 0000

生成此打包输出的现有方法使用带有宏的巨型 uint8 数组来插入更复杂的值，例如 16 位数。结构数组可以更准确地表示数据并提供类型安全性（如果可行的话）。

我不需要能够索引或访问数组中的数据，blob 被推入低级 USB 例程。使用 gcc packed 属性并没有改变标准的联合数组行为。

Answer 1

I would like to create an array of different structs with different sizes.

这在 C 中根本不可能（并且有充分的理由）。数组（在 C 中）由相同大小（和类型）的组件组成。如果不是这种情况，对该数组元素的索引访问将是一个非常复杂且耗时的操作（这违背了 C 的精神；但是在 C++ 中，您可以定义自己的 operator []）。

您可以改为使用 char-s 的数组（例如 const char data[] = {0x35, 0x27, 0}; 等；也许这个大字节数组可以由一些临时脚本生成，这些脚本发出一些 C 代码来初始化一个大的array) 并有一些 parsing 例程来处理它。或者你可以有一个数组 pointers:

union detail {
  struct a* aptr;
  struct b* bptr;
};

static const struct a firstelem= {.some_field= 35};
static const struct b secondelem= {.another_field= 12};
const union detail configuration[] = {
  {.aptr= &firstelem},
  {.bptr= &secondelem},
};

请注意，在您的情况下，指针数组实际上提供了更大的数据。

Answer 2

你不应该为此使用 union，它并不像你认为的那样。如果您想要一个结构数组，其中每个结构可能属于不同类型，则无法完成。相反，您必须以正确的顺序定义一个包含所有其他结构的 "super struct"。

但是，这并不能解决 alignment/padding 的问题。为了禁用结构（和联合）中的填充，您必须求助于非标准 C。常见的非标准扩展是 #pragma pack。 gcc 编译器还支持非标准属性 "packed"，请参阅 What is the meaning of “attribute((packed, aligned(4))) ”。由于禁用填充的代码是非标准的，因此它也是不可移植的。

也可以通过创建 uint8_t 数组然后将 read/write 数据块放入该数组来解决问题。这被称为 serialization/de-serialization 的数据。从任何指针类型到 uint8_t* 或字符类型的转换都是安全的，但不幸的是，反过来会调用未定义的行为。这是因为 C 语言中的一个错误，通常被称为 "the strict aliasing rule"，这有时会导致在进行诸如此类的与硬件相关的编程时，无法以流畅或有意义的方式使用 C 语言。

解决此 C 语言错误的方法是编写一个包含 2 个元素的巨大联合，一个是 uint8_t 数组，一个是 "super struct"，如上文所述。您实际上不会使用 super 结构 - 您可能不能因为填充 - 但通过将它放在联合中，您可以调用严格别名的特殊例外。这意味着将不再有未定义的行为，并且您将防止像 gcc 这样的积极优化编译器破坏您的代码。

针对此 C 语言错误的另一个特定于 gcc 的解决方法是使用 gcc -fno-strict-aliasing 进行编译。在这种情况下，嵌入式系统编译器通常比 gcc 工作得更好，因为它们不遵循 C 标准，而是使指针转换以非标准方式确定性地运行。例如，在这样的编译器上，像 (uint16_t*)my_uint8t 这样的代码确定性地将指向的数据视为 uint16_t，而不是默默地导致程序崩溃和烧毁。

Answer 3

接受来自@Basile-Starynkevitch、@Jonathan-Leffler 和其他人的评论，我重新考虑了我希望无法完成的事情。我真正需要的是精确控制 memory/flash 中结构的相对位置。放置是通过链接器完成的，我最终在那里找到了解决方案。

首先，我在链接描述文件的 SECTIONS 部分创建了一个特殊块。确保顺序的唯一方法是创建多个部分并手动对它们进行排序，在本例中为 cpack0-3。

.text : ALIGN(4) /* Align the start of the block */
{
    *(.cpack0) *(.cpack1) *(.cpack2) *(.cpack3)
} > MFlash32

然后将结构变量放入特殊部分。在实际实现中，可以通过 #define 元素简化重复的长手语法。

const struct a configuration __attribute__((section(".cpack0"), aligned(1))) = {
    .some_field = 23
};

const struct b configuration1 __attribute__((section(".cpack1"), aligned(1))) = {
    .another_field = 12
};

所以我们有一个配置变量，在 4 字节地址处对齐以方便访问，并使用结构定义以确保类型安全。为了安全起见，配置的后续部分也由结构定义，并按顺序放置在内存中。 aligned(1) 属性确保它们紧密包装，没有空 space.

这解决了我的问题，配置定义是通过结构完成的，提供了所有优点，丑陋被 #define 隐藏，最终配置是可变长度的二进制 blob，由 a 访问uint8_t* 指针。随着指针递增，它会在不同的配置元素之间无缝移动。

打包结构的联合

Packing a union of structs

c

arrays

usb

linker

unions