Проблема

В низкоуровневом встроенном контексте « голого металла» я хотел бы создать пустое пространство в памяти внутри структуры C ++ без какого-либо имени, чтобы запретить пользователю доступ к такой области памяти.

Прямо сейчас я добился этого, поместив уродливое uint32_t :96;битовое поле, которое удобно заменит три слова, но вызовет 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 распространить библиотеку с несколькими сотнями этих предупреждений ...

Как мне это сделать правильно?

Почему вообще возникает проблема?

Проект, над которым я работаю, состоит из определения 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.

Вот один простой пример довольно простого периферийного устройства: 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 all GPIO_MAPx_YYY- макрос, определяемый либо как, либо как uint32_t :32тип регистра (выделенная структура).

Здесь вы видите, uint32_t :192;что работает хорошо, но вызывает предупреждение.

Что я рассмотрел до сих пор:

Я мог бы заменить его несколькими uint32_t :32;(здесь 6), но у меня есть несколько крайних случаев, когда у меня есть uint32_t :1344;(42) (среди других). Так что я бы не стал добавлять около сотни строк поверх 8k других, даже если генерация структуры написана 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 это сомнительно).

Я бы предпочел не решать эту проблему, просто удаляя предупреждение, но используя

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

может быть решение ... если найду TheRightFlag. Однако, как указано в этой теме , gcc/cp/class.cс этой печальной частью кода:

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

Это говорит нам, что нет -Wxxxфлага для удаления этого предупреждения ...

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;

По одному для каждого регистра, который вы хотите сохранить анонимно.

Если у вас есть большие пробелы, которые нужно заполнить, может быть более четким и менее подверженным ошибкам использование 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 пространство 1344 (42 * 32 бита) следующим образом:

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

Как насчет C ++ - ишского способа?

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 GPIOпространства имен, и нет необходимости в пустом заполнении. Даже более ясно, что происходит, поскольку вы можете видеть адрес каждого регистра, вам вообще не нужно полагаться на поведение заполнения компилятора.

На арене встраиваемых систем вы можете моделировать оборудование либо с помощью структуры, либо путем определения указателей на адреса регистров.

Моделирование по структуре не рекомендуется, поскольку компилятору разрешено добавлять отступы между членами для целей 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 - это определить член и не обращаться к нему:

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).

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

Но, если вы настаиваете, лучший способ добавить неиспользуемый член шириной n байтов - это просто сделать это:

char unused[n];

Если вы добавите прагму, зависящую от реализации, чтобы предотвратить добавление произвольного заполнения к членам класса, это может сработать.

Для GNU C / C ++ (gcc, clang и другие, поддерживающие 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 обозревателе компилятора Godbolt показывает offsetof(GPIO, b)= 7 байт.)

Чтобы расширить ответы @ Clifford и @Adam Kotwasinski:

#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;
}

Чтобы расширить ответ Клиффорда, вы всегда можете макрос анонимных битовых полей.

Так что вместо

uint32_t :160;

использовать

#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 затем используйте это как

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

К сожалению, вам понадобится столько EMPTY_32_Xвариантов, сколько у вас есть байтов :( Тем не менее, это позволяет вам иметь отдельные объявления в вашей структуре.

Чтобы определить большой разделитель как группы по 32 бита.

#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)
};

Думаю, было бы полезно ввести еще какую-то структуру; что, в свою очередь, может решить проблему проставок.

Назовите варианты

Хотя плоские пространства имен хороши, проблема в том, что вы получаете разношерстный набор полей и нет простого способа передать все связанные поля вместе. Более 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 подумал о том, чтобы выделитьstruct :

// 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 с первого взгляда.

Простые распорки

Благодаря разделению определения на несколько заголовков, заголовки становятся более управляемыми по отдельности.

Поэтому мой первоначальный подход к точному соответствию вашим требованиям заключался бы в повторении std::uint32_t:32;. Да, он добавляет несколько строк по 100 к существующим строкам 8k, но поскольку каждый заголовок индивидуально меньше, это может быть не так плохо.

Но если вы готовы рассмотреть более экзотические решения ...

Представляем $.

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

$Появляются в исходном коде, вероятно , поднять брови, и $$$$, безусловно , будет привлекать к себе внимание во время обзора кода. Это то, чем вы легко можете воспользоваться:

#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 «линт» в качестве ловушки перед фиксацией или в вашем CI, который ищет $$$$в зафиксированном коде C ++ и отклоняет такие фиксации.

Хотя я согласен, что структуры не должны использоваться для доступа к портам ввода-вывода MCU, исходный 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 packили аналогичный в зависимости от синтаксиса вашего компилятора.

Смешивание частных и общедоступных членов в структуре обычно приводит к тому, что такой макет памяти больше не гарантируется стандартом C ++. Однако, если все нестатические члены структуры являются частными, она по-прежнему считается POD / стандартным макетом, как и структуры, которые их встраивают.

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

Обратите внимание, что spacerчлен сам по себе не является частным, поэтому доступ к данным все же можно получить следующим образом:

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

Однако такое выражение выглядит очевидным взломом и, будем надеяться, не будет использовано без действительно уважительной причины, не говоря уже об ошибке.

Анти-раствор.

НЕ ДЕЛАЙТЕ ЭТОГО: смешивайте частные и публичные поля.

Может быть, вам пригодится макрос со счетчиком для генерации уникальных имен переменных?

#define CONCAT_IMPL( x, y ) x##y
#define MACRO_CONCAT( x, y ) CONCAT_IMPL( x, y )
#define RESERVED MACRO_CONCAT(Reserved_var, __COUNTER__) 


struct {
    GPIO_MAP1_CRL;
    GPIO_MAP1_CRH;
    GPIO_MAP1_IDR;
    GPIO_MAP1_ODR;
    GPIO_MAP1_BSRR;
    GPIO_MAP1_BRR;
    GPIO_MAP1_LCKR;
private:
    char RESERVED[4];
public:
    GPIO_MAP1_AFRL;
    GPIO_MAP1_AFRH;
private:
    char RESERVED[8];
};