将 uint16_t 数组作为 uint32_t 指针访问

Question

我正在使用一种 ARM 处理器，该处理器具有 2 个 16 位 ADC 作为一个 32 位值（可以将其视为读取立体声信号的两个通道）。我想获取 uint16_t[1024][2] 形式的值，但系统模块需要使用 uint32_t 指针调用 DMA。如果我将其设为 uint32_t 数组，那么我必须执行 AND 和逻辑移位将其转换回 2 个 uint16_t 值。如果我可以让 DMA 将其视为 32 位内存，但将数据作为 16 位 2 元素数组进行操作，那么大部分 CPU 时间都会被释放。有什么建议吗？

我正在使用 STM32CubeIDE，它是带有 GCC 编译器的 Eclipse 编辑器的插件。

我无法让 DMA 处理任何 16 位值，因此我设置了 32 位缓冲区，并正在寻找一种方法将数学作为 2 个单独的 16 位值进行计算。 我的尝试是为缓冲区定义一个 32 位值，然后使用 16 位 int 2 元素数组取消引用它以进行数学运算：

...
static uint32_t ADC_Buff[SAMPLES*2];
static uint16_t *vasamples[][2];
*vasamples= &ADC_Buff;
...
// setup DMA
if (HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA(&hadc1, *(ADC_Buff), (uint32_t)(SAMPLES)) != HAL_OK)
{
    errnum = 4;
    Error_Handler();
}

Answer 1

替代方案 0

将数组定义为联合：

static union {
    uint32_t u32[SAMPLES*2];
    uint16_t u16[SAMPLES*2][2];
} ADC_Buff;

将所需的 uint32_t 传递到 DMA 例程：

HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA(&hadc1, ADC_Buff.u32, (uint32_t) SAMPLES)

使用 uint16_t 数据：

for (size_t i = 0; i < SAMPLES*2; ++i)
    printf("Sample[%zu] = %" PRIu16 ", %" PRIu16 ".\n",
        i, ADC_Buff.u16[i][0], ADC_Buff.u16[i][1]);

C 标准以这种方式定义了重新解释联合中数据的行为。 （C++ 没有。）

替代方案 1

将 ADC_Buff 定义为 uint32_t 数组（如问题中当前的代码所示），将其传递给 DMA 例程，然后使用memcpy重新解释它：

for (size_t i = 0; i < SAMPLES*2; ++i)
{
    uint16_t t[2];
    memcpy(t, &ADC_Buff[i], sizeof t);
    printf("Sample[%zu] = %" PRIu16 ", %" PRIu16 ".\n",
        i, t[0], t[1]);
}

编译器可能会对此进行优化以消除memcpy，您可以通过检查生成的汇编语言来检查它。

替代方案 2

将缓冲区定义为 uint16_t [2] 数组，并根据 uint32_t 需要进行对齐，并在将其传递到 DMA 例程时强制地址：

static uint16_t _Alignas (uint32_t) ADC_Buff[SAMPLES*2][2];

…
HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA(&hadc1, (uint32_t *) ADC_Buff, (uint32_t) SAMPLES)

而 C 标准将如果 HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA 是用 C 代码编写的，则不定义行为，显然完全不是这样，因为 DMA 在严格符合 C 代码的情况下是不可能的。作为一个系统例程，它做自己的事情，编译器在编译此源代码时无法看到它。关于别名的规则是为了给编译器提供优化的机会，在这种情况下它们没有任何作用。

替代方案 3

使用替代方案 2 并使用 -fno-strict-aliasing 进行编译，这要求 GCC 和 Clang 支持超出 C 标准提供的别名。如果源文件中的其他位置编译器会利用严格的别名规则，则此开关会阻止这些优化。