c - 初始化、构造结构并将其转换为字节数组会导致未对齐

Question

我正在尝试设计一个用于字节级通信的数据结构(我已将其缩短以节省空间，但我认为您已经明白了):

/* PACKET.H */    
#define CM_HEADER_SIZE          3
#define CM_DATA_SIZE            16
#define CM_FOOTER_SIZE          3
#define CM_PACKET_SIZE       (CM_HEADER_SIZE + CM_DATA_SIZE + CM_FOOTER_SIZE)
// + some other definitions

typedef struct cm_header{  
  uint8_t       PacketStart;   //Start Indicator 0x5B [
  uint8_t       DeviceId;       //ID Of the device which is sending
  uint8_t       PacketType;
} CM_Header;

typedef struct cm_footer {
  uint16_t      DataCrc;        //CRC of the 'Data' part of CM_Packet
  uint8_t       PacketEnd;      //should be 0X5D or ]
} CM_Footer;

//Here I am trying to conver a few u8[4] tp u32 (4*u32 = 16 byte, hence data size)
typedef struct cm_data {
  union {
      struct{
        uint8_t           Value_0_0:2;
        uint8_t           Value_0_1:2;
        uint8_t           Value_0_2:2;
        uint8_t           Value_0_3:2;          
      };
    uint32_t              Value_0;
  };
  //same thing for Value_1, 2 and 3
} CM_Data;

typedef struct cm_packet {
  CM_Header Header;
  CM_Data Data;
  CM_Footer Footer;
} CM_Packet;

typedef struct cm_inittypedef{
  uint8_t               DeviceId;
  CM_Packet             Packet;        
} CM_InitTypeDef;

typedef struct cm_appendresult{
  uint8_t Result;
  uint8_t Reason;
} CM_AppendResult;

extern CM_InitTypeDef cmHandler;

这里的目标是建立通过 USB 接口(interface)传输数据的可靠结构。最后，CM_Packet 应转换为 uint8_t 数组，并提供给 MCU(stm32)的数据发送寄存器。

在 main.c 文件中，我尝试初始化结构以及与此数据包相关的其他一些内容:

/* MAIN.C */
uint8_t packet[CM_PACKET_SIZE];
int main(void) {
    //use the extern defined in packet.h to init the struct
    cmHandler.DeviceId = 0x01; //assign device id
    CM_Init(&cmHandler); //construct the handler
    //rest of stuff   

    while(1) {
        CM_GetPacket(&cmHandler, (uint8_t*)packet);
        CDC_Transmit_FS(&packet, CM_PACKET_SIZE);
    }
}

这是 packet.h 的实现，它把一切搞砸了。我添加了要观看的数据包[CM_PACKET_SIZE]，但它就像是随机生成的。有时，纯粹是运气好，我可以在这个数组中看到一些我感兴趣的值!但大约只有 1% 的时间!

/* PACKET.C */
CM_InitTypeDef cmHandler;

void CM_Init(CM_InitTypeDef *cm_initer) {
  cmHandler.DeviceId = cm_initer->DeviceId;

  static CM_Packet cmPacket;
  cmPacket.Header.DeviceId = cm_initer->DeviceId;
  cmPacket.Header.PacketStart = CM_START;
  cmPacket.Footer.PacketEnd = CM_END;
  cm_initer->Packet = cmPacket;
}

CM_AppendResult CM_AppendData(CM_InitTypeDef *handler, uint8_t identifier, 
                              uint8_t *data){    

    CM_AppendResult result;

    switch(identifier){
      case CM_VALUE_0:
        handler->Packet.Data.Value_0_0 = data[0];
        handler->Packet.Data.Value_0_1 = data[1];
        handler->Packet.Data.Value_0_2 = data[2];
        handler->Packet.Data.Value_0_3 = data[3];
        break;

       //Also cases for CM_VALUE_0, 1 , 2
       //to build up the CM_Data sturct of CM_Packet

    default:
      result.Result = CM_APPEND_FAILURE;
      result.Reason = CM_APPEND_CASE_ERROR;
      return result;
      break;

    }    

    result.Result = CM_APPEND_SUCCESS;
    result.Reason = 0x00;
    return result;
}

void CM_GetPacket(CM_InitTypeDef *handler, uint8_t *packet){
    //copy the whole struct in the given buffer and later send it to USB host
    memcpy(packet, &handler->Packet, sizeof(CM_PACKET_SIZE));
}

所以，问题是这段代码 99% 的时间都会给我随机的东西。它从来没有 CM_START 这是数据包的开始指示符到我想要的值。但大多数时候它都正确地具有 CM_END 字节!我真的很困惑，找不到原因。在一个很难调试的嵌入式平台上工作，我有点迷失在这里......

Answer 1

如果将数据传输到另一个(不同的)体系结构，请勿仅将结构作为 blob 传递。这就是通往 hell 的道路:字节顺序、对齐方式、填充字节等都可能(并且可能会)造成麻烦。

更好地以一致的方式序列化结构，可能使用一些解释的控制流，这样您就不必手动写出每个字段。 (但仍然使用标准函数来生成该流)。

一些潜在或可能出现问题的领域:

• CM_Footer:第二个字段很可能从 32 或 64 位边界开始，因此前一个字段后面将进行填充。此外，在 32 位体系结构上，该结构的末尾很可能会填充至少 1 个字节，以便在数组中使用时进行正确对齐(如果您确实需要这样做，编译器不会关心您)。它甚至可能是 8 字节对齐的。
• CM_Header:在这里您可能(不保证)得到一个 4*2 位的 uint8_t，且排序未标准化。该字段后面可能跟随 3 个未使用的字节，这是 union 的 uint32_t 解释所必需的。
• 如何保证主机和目标具有相同的字节顺序(对于 >uint8_t:高字节优先还是低字节优先？)？
• 一般来说，结构体/union 体的主机和目标不需要具有相同的布局。即使使用相同的编译器，它们的ABI也可能不同等。即使是相同的CPU，也可能存在其他系统限制。此外，对于某些 CPU，存在不同的 ABI(应用程序二进制接口(interface))。