it-swarm.com.ru

Как создать "спейсер" в структуре памяти класса C++?

Проблема

В контексте низкоуровневого встроенного низкого уровня я хотел бы создать пустое пространство в памяти, в структуре C++ и без какого-либо имени, чтобы запретить пользователю доступ к такой области памяти.

Прямо сейчас я добился этого, поместив уродливое битовое поле uint32_t :96;, которое будет удобно заменять три слова, но при этом будет выдано предупреждение от GCC (битовое поле слишком велико, чтобы поместиться в uint32_t), что вполне законно.

Хотя он работает нормально, он не очень чистый, если вы хотите распространять библиотеку с несколькими сотнями таких предупреждений ...

Как мне сделать это правильно?

Почему проблема в первую очередь?

Проект, над которым я работаю, состоит в определении структуры памяти различных периферийных устройств всей линейки микроконтроллеров (STMicroelectronics STM32). Для этого результатом является класс, который содержит объединение нескольких структур, которые определяют все регистры, в зависимости от целевого микроконтроллера.

Один простой пример для довольно простого периферийного устройства - следующее: универсальный ввод/вывод (GPIO)

union
{

    struct
    {
        GPIO_MAP0_MODER;
        GPIO_MAP0_OTYPER;
        GPIO_MAP0_OSPEEDR;
        GPIO_MAP0_PUPDR;
        GPIO_MAP0_IDR;
        GPIO_MAP0_ODR;
        GPIO_MAP0_BSRR;
        GPIO_MAP0_LCKR;
        GPIO_MAP0_AFR;
        GPIO_MAP0_BRR;
        GPIO_MAP0_ASCR;
    };
    struct
    {
        GPIO_MAP1_CRL;
        GPIO_MAP1_CRH;
        GPIO_MAP1_IDR;
        GPIO_MAP1_ODR;
        GPIO_MAP1_BSRR;
        GPIO_MAP1_BRR;
        GPIO_MAP1_LCKR;
        uint32_t :32;
        GPIO_MAP1_AFRL;
        GPIO_MAP1_AFRH;
        uint32_t :64;
    };
    struct
    {
        uint32_t :192;
        GPIO_MAP2_BSRRL;
        GPIO_MAP2_BSRRH;
        uint32_t :160;
    };
};

Где все GPIO_MAPx_YYY - это макрос, определенный как uint32_t :32 или тип регистра (выделенная структура).

Здесь вы видите uint32_t :192;, который работает хорошо, но выдает предупреждение.

То, что я рассмотрел до сих пор:

Я мог бы заменить его несколькими uint32_t :32; (6 здесь), но у меня есть несколько крайних случаев, когда у меня есть uint32_t :1344; (42) (среди прочих). Поэтому я бы не стал добавлять около ста строк поверх остальных 8 тыс., Хотя генерация структуры выполняется по сценарию.

Точное предупреждающее сообщение выглядит примерно так: width of 'sool::ll::GPIO::<anonymous union>::<anonymous struct>::<anonymous>' exceeds its type (мне просто нравится, насколько оно тенистое).

Я предпочел бы не решить эту проблему, просто удалив предупреждение, но использование

#pragma GCC diagnostic Push
#pragma GCC diagnostic ignored "-WTheRightFlag"
/* My code */
#pragma GCC diagnostic pop

может быть решение ... если я найду TheRightFlag. Однако, как указано в этот поток , gcc/cp/class.c с этой печальной частью кода:

warning_at (DECL_SOURCE_LOCATION (field), 0,
        "width of %qD exceeds its type", field);

Что говорит нам о том, что для удаления этого предупреждения нет флага -Wxxx ...

93
J Faucher

Используйте несколько смежных анонимных битовых полей. Так что вместо:

    uint32_t :160;

например, у вас будет:

    uint32_t :32;
    uint32_t :32;
    uint32_t :32;
    uint32_t :32;
    uint32_t :32;

Один для каждого регистра вы хотите быть анонимным.

Если у вас есть большие пробелы для заполнения, это может быть более понятным и менее подверженным ошибкам при использовании макросов для повторения одного 32-битного пространства. Например, учитывая:

#define REPEAT_2(a) a a
#define REPEAT_4(a) REPEAT_2(a) REPEAT_2(a)
#define REPEAT_8(a) REPEAT_4(a) REPEAT_4(a)
#define REPEAT_16(a) REPEAT_8(a) REPEAT_8(a)
#define REPEAT_32(a) REPEAT_16(a) REPEAT_16(a)

Затем можно добавить пробел 1344 (42 * 32 бита):

struct
{
    ...
    REPEAT_32(uint32_t :32;) 
    REPEAT_8(uint32_t :32;) 
    REPEAT_2(uint32_t :32;)
    ...
};
34
Clifford

Как насчет C++ - это путь?

namespace GPIO {

static volatile uint32_t &MAP0_MODER = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x4000);
static volatile uint32_t &MAP0_OTYPER = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x4004);

}

int main() {
    GPIO::MAP0_MODER = 42;
}

Вы получаете автозаполнение из-за пространства имен GPIO, и нет необходимости в фиктивном заполнении. Даже более понятно, что происходит, так как вы можете видеть адрес каждого регистра, вам совсем не нужно полагаться на поведение заполнения компилятора.

44
geza

На арене встраиваемых систем вы можете моделировать аппаратное обеспечение, используя структуру или определяя указатели на адреса регистров. 

Моделирование по структуре не рекомендуется, поскольку компилятору разрешено добавлять отступы между элементами для выравнивания (хотя многие компиляторы для встроенных систем имеют прагму для упаковки структуры).

Пример: 

uint16_t * const UART1 = (uint16_t *)(0x40000);
const unsigned int UART_STATUS_OFFSET = 1U;
const unsigned int UART_TRANSMIT_REGISTER = 2U;
uint16_t * const UART1_STATUS_REGISTER = (UART1 + UART_STATUS_OFFSET);
uint16_t * const UART1_TRANSMIT_REGISTER = (UART1 + UART_TRANSMIT_REGISTER);

Вы также можете использовать обозначение массива: 

uint16_t status = UART1[UART_STATUS_OFFSET];  

Если вы должны использовать структуру, IMHO, лучший способ пропустить адреса - определить члена, а не получить к нему доступ: 

struct UART1
{
  uint16_t status;
  uint16_t reserved1; // Transmit register
  uint16_t receive_register;
};

В одном из наших проектов у нас есть как константы, так и структуры от разных поставщиков (поставщик 1 использует константы, а поставщик 2 использует структуры).

20
Thomas Matthews

геза прав, что вы действительно не хотите использовать классы для этого.

Но, если вы настаиваете, лучший способ добавить неиспользуемый элемент ширины n байтов, это просто сделать так:

char unused[n];

Если вы добавите специфичную для реализации прагму, чтобы предотвратить добавление произвольных отступов к членам класса, это может сработать.


Для GNU C/C++ (gcc, clang и другие, которые поддерживают те же расширения), одно из допустимых мест для размещения атрибута:

#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
#include <assert.h>  // for C11 static_assert, so this is valid C as well as C++

struct __attribute__((packed)) GPIO {
    volatile uint32_t a;
    char unused[3];
    volatile uint32_t b;
};

static_assert(offsetof(struct GPIO, b) == 7, "wrong GPIO struct layout");

(пример в проводнике компилятора Godbolt показывает offsetof(GPIO, b) = 7 байт.)

12
Lightness Races in Orbit

Чтобы расширить ответы @ Клиффорда и @ Адама Котвасинского:

#define REP10(a)        a a a a a a a a a a
#define REP1034(a)      REP10(REP10(REP10(a))) REP10(a a a) a a a a

struct foo {
        int before;
        REP1034(unsigned int :32;)
        int after;
};
int main(void){
        struct foo bar;
        return 0;
}
9
mosvy

Чтобы расширить ответ Клиффорда, вы всегда можете макрокомандировать анонимные битовые поля.

Так что вместо 

uint32_t :160;

использование

#define EMPTY_32_1 \
 uint32_t :32
#define EMPTY_32_2 \
 uint32_t :32;     \ // I guess this also can be replaced with uint64_t :64
 uint32_t :32
#define EMPTY_32_3 \
 uint32_t :32;     \
 uint32_t :32;     \
 uint32_t :32
#define EMPTY_UINT32(N) EMPTY_32_ ## N

А потом использовать как

struct A {
  EMPTY_UINT32(3);
  /* which resolves to EMPTY_32_3, which then resolves to real declarations */
}

К сожалению, вам понадобится столько же вариантов EMPTY_32_X, сколько у вас будет байтов :( Тем не менее, это позволяет вам иметь одиночные объявления в вашей структуре.

7
Adam Kotwasinski

Я думаю, что было бы полезно ввести еще несколько структур; что, в свою очередь, может решить проблему с проставками.

Назовите варианты

В то время как плоские пространства имен хороши, проблема в том, что вы получаете пеструю коллекцию полей, а не простой способ передачи всех связанных полей вместе. Кроме того, используя анонимные структуры в анонимном объединении, вы не можете передавать ссылки на сами структуры или использовать их в качестве параметров шаблона.

Поэтому в качестве первого шага я бы рассмотрел исключение struct:

// GpioMap0.h
#pragma once

// #includes

namespace Gpio {
struct Map0 {
    GPIO_MAP0_MODER;
    GPIO_MAP0_OTYPER;
    GPIO_MAP0_OSPEEDR;
    GPIO_MAP0_PUPDR;
    GPIO_MAP0_IDR;
    GPIO_MAP0_ODR;
    GPIO_MAP0_BSRR;
    GPIO_MAP0_LCKR;
    GPIO_MAP0_AFR;
    GPIO_MAP0_BRR;
    GPIO_MAP0_ASCR;
};
} // namespace Gpio

// GpioMap1.h
#pragma once

// #includes

namespace Gpio {
struct Map1 {
    // fields
};
} // namespace Gpio

// ... others headers ...

И, наконец, глобальный заголовок:

// Gpio.h
#pragma once

#include "GpioMap0.h"
#include "GpioMap1.h"
// ... other headers ...

namespace Gpio {
union Gpio {
    Map0 map0;
    Map1 map1;
    // ... others ...
};
} // namespace Gpio

Теперь я могу написать void special_map0(Gpio:: Map0 volatile& map);, а также получить краткий обзор всех доступных архитектур.

Простые проставки

С определением, разделенным на несколько заголовков, заголовки индивидуально намного более управляемы.

Поэтому мой первоначальный подход для точного удовлетворения ваших требований - придерживаться повторного std::uint32_t:32;. Да, он добавляет несколько сотен строк к существующим 8-тысячным строкам, но поскольку каждый заголовок индивидуально меньше, он может быть не таким плохим.

Если вы готовы рассмотреть более экзотические решения, хотя ...

Представляем $.

Это малоизвестный факт, что $ является жизнеспособным символом для идентификаторов C++; это даже жизнеспособный стартовый символ (в отличие от цифр).

$, появляющийся в исходном коде, вероятно, вызовет удивление, и $$$$ определенно привлечет внимание во время проверки кода. Это то, что вы можете легко использовать в своих интересах:

#define GPIO_RESERVED(Index_, N_) std::uint32_t $$$$##Index_[N_];

struct Map3 {
    GPIO_RESERVED(0, 6);
    GPIO_MAP2_BSRRL;
    GPIO_MAP2_BSRRH;
    GPIO_RESERVED(1, 5);
};

Вы даже можете собрать простой «пух» в качестве ловушки перед фиксацией или в своем CI, который ищет $$$$ в принятом коде C++ и отклоняет такие коммиты.

1
Matthieu M.

Чтобы определить большой разделитель как группы из 32 бит.

#define M_32(x)   M_2(M_16(x))
#define M_16(x)   M_2(M_8(x))
#define M_8(x)    M_2(M_4(x))
#define M_4(x)    M_2(M_2(x))
#define M_2(x)    x x

#define SPACER int : 32;

struct {
    M_32(SPACER) M_8(SPACER) M_4(SPACER)
};
1
jxh

Хотя я согласен, что структуры не должны использоваться для доступа к порту ввода/вывода MCU, на оригинальный вопрос можно ответить следующим образом:

struct __attribute__((packed)) test {
       char member1;
       char member2;
       volatile struct __attribute__((packed))
       {
       private:
              volatile char spacer_bytes[7];
       }  spacer;
       char member3;
       char member4;
};

Вам может потребоваться заменить __attribute__((packed)) на #pragma pack или аналогичный в зависимости от синтаксиса вашего компилятора.

Смешивание закрытых и открытых членов в структуре обычно приводит к тому, что компоновка памяти больше не гарантируется стандартом C++. Однако, если все нестатические члены структуры являются частными, она все еще считается POD/стандартной компоновкой, и поэтому являются структурами, которые их внедряют.

По какой-то причине gcc выдает предупреждение, если член анонимной структуры является закрытым, поэтому мне пришлось дать ему имя. Кроме того, включение его в еще одну анонимную структуру также избавляет от предупреждения (это может быть ошибкой).

Обратите внимание, что член spacer сам по себе не является частным, поэтому доступ к данным по-прежнему возможен следующим образом: 

(char*)(void*)&testobj.spacer;

Однако такое выражение выглядит как очевидный взлом, и, надеюсь, не будет использовано без веской причины, не говоря уже об ошибке.

0
Jack White