PC端C与STM32寄存器地址赋值差异及相关疑问

背景 #

在使用STM32 HAL驱动时，发现其通过结构体映射硬件寄存器地址的方式实现寄存器赋值，核心代码如下：

#define     __IO    volatile

typedef struct
{
  __IO uint32_t CR1;    /*!< USART Control register 1,                 Address offset: 0x00 */
  __IO uint32_t CR2;    /*!< USART Control register 2,                 Address offset: 0x04 */
  __IO uint32_t CR3;    /*!< USART Control register 3,                 Address offset: 0x08 */
  __IO uint32_t BRR;    /*!< USART Baud rate register,                 Address offset: 0x0C */
  __IO uint32_t GTPR;   /*!< USART Guard time and prescaler register,  Address offset: 0x10 */
  __IO uint32_t RTOR;   /*!< USART Receiver Time Out register,         Address offset: 0x14 */
  __IO uint32_t RQR;    /*!< USART Request register,                   Address offset: 0x18 */
  __IO uint32_t ISR;    /*!< USART Interrupt and status register,      Address offset: 0x1C */
  __IO uint32_t ICR;    /*!< USART Interrupt flag Clear register,      Address offset: 0x20 */
  __IO uint32_t RDR;    /*!< USART Receive Data register,              Address offset: 0x24 */
  __IO uint32_t TDR;    /*!< USART Transmit Data register,             Address offset: 0x28 */
  __IO uint32_t PRESC;  /*!< USART clock Prescaler register,           Address offset: 0x2C */
} USART_TypeDef;

#define D2_APB1PERIPH_BASE    (0x40000000UL)
#define UART4_BASE            (D2_APB1PERIPH_BASE + 0x4C00UL)
#define UART4                 ((USART_TypeDef *) UART4_BASE)

UART4->CR1 = whatever; // 修正原代码笔误

尝试在PC端C语言中模拟该操作，编写代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

#define startaddress ((mytype*) (0x6d9ff93b))
typedef struct
{
    volatile uint32_t myTypeValue;
}mytype;

int main()
{
    mytype* inst;
    inst = startaddress;
    inst->myTypeValue = 0x10;
    printf("address is : %x\n",inst);
    return 0;
}

运行后程序崩溃，错误码为-1073741819 (0xC0000005)；若注释掉inst->myTypeValue = 0x10;这一行，程序可正常输出地址：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

#define startaddress ((mytype*) (0x6d9ff93b))
typedef struct
{
    volatile uint32_t myTypeValue;
}mytype;

int main()
{
    mytype* inst;
    inst = startaddress;
    // inst->myTypeValue = 0x10;
    printf("address is : %x\n",inst);
    return 0;
}

输出：

address is : 6d9ff93b

Process finished with exit code 0

针对上述现象，提出两个疑问：

1. STM32库的该操作是否因目标地址为寄存器而非SRAM才有效？（曾在FMC的SDRAM地址0xC0000000处成功执行类似操作）
2. 为何指针赋值inst = startaddress;时程序未崩溃，仅访问结构体成员时才崩溃？

解答 #

问题1解答 #

STM32的这种操作不是因为目标是寄存器才有效，本质是STM32的统一内存映射机制：

• STM32作为单片机，整个地址空间是统一编址的，寄存器、SRAM、SDRAM、Flash等都被映射到同一个32位地址空间里，只要是地址空间中被硬件规划为可访问的区域（不管是寄存器还是SDRAM），都可以通过指针直接读写。
• 你在SDRAM地址0xC0000000处成功操作，就是因为该地址属于STM32硬件规划的合法可访问区域；而PC端的操作系统（比如Windows）采用虚拟内存机制，用户程序只能访问系统分配给自己的虚拟地址空间，你指定的0x6d9ff93b大概率不在当前进程的合法访问范围内，甚至可能是系统内核空间或未映射的地址，因此写入会触发内存访问错误。

问题2解答 #

指针赋值inst = startaddress;只是把一个数值（地址值）赋值给指针变量，这个过程只是在进程自己的栈内存里修改一个变量的值，并没有访问该地址指向的内存区域，所以不会触发内存保护机制。
只有当你执行inst->myTypeValue = 0x10;时，程序才会尝试去访问0x6d9ff93b这个地址对应的内存，而该地址不在当前进程的合法访问范围内，操作系统的内存管理单元（MMU）会检测到非法访问，直接终止进程，也就是你看到的崩溃。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者S2G