ARM C C++內(nèi)存對(duì)齊

　　ARM 編譯程序通常將全局變量對(duì)齊到自然尺寸邊界上，以便通過(guò)使用 LDR和 STR 指令有效地存取這些變量。這種內(nèi)存訪問方式與多數(shù) CISC （Complex Instruction Set Computing）體系結(jié)構(gòu)不同，在CISC體系結(jié)構(gòu)下，指令直接存取未對(duì)齊的數(shù)據(jù)。因而，當(dāng)需要將代碼從CISC 體系結(jié)構(gòu)向 ARM 處理器移植時(shí)，內(nèi)存訪問的地址對(duì)齊問題必須予以注意。在RISC體系結(jié)構(gòu)下，存取未對(duì)齊數(shù)據(jù)無(wú)論在代碼尺寸或是程序執(zhí)行效率上，都將付出非常大的代價(jià)。
　　本文將從以下幾個(gè)方面討論在ARM體系結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計(jì)問題。
　　未對(duì)齊的數(shù)據(jù)指針
　　C和C++編程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，指向某一數(shù)據(jù)類型的指針，必須和該類型的數(shù)據(jù)地址對(duì)齊方式一致，所以ARM 編譯器期望程序中的 C 指針指向存儲(chǔ)器中字對(duì)齊地址，因?yàn)檫@可使編譯器生成更高效的代碼。
　　比如，如果定義一個(gè)指向 int 數(shù)據(jù)類型的指針，用該指針讀取一個(gè)字，ARM 編譯器將使用LDR 指令來(lái)完成此操作。如果讀取的地址為四的倍數(shù)（即在一個(gè)字的邊界）即能正確讀取。但是，如果該地址不是四的倍數(shù)，那么，一條 LDR 指令返回一個(gè)循環(huán)移位結(jié)果，而不是執(zhí)行真正的未對(duì)齊字載入。循環(huán)移位結(jié)果取決于該地址向?qū)τ谧值倪吔绲钠屏亢拖到y(tǒng)所使用的端序（Endianness）。例如，如果代碼要求從指針指向的地址 0x8006 載入數(shù)據(jù)，即要載入 0x8006、0x8007、0x8008 和 0x8009 四字節(jié)的內(nèi)容。但是，在 ARM 處理器上，這個(gè)存取操作載入了0x8004、0x8005、0x8006 和 0x8007 字節(jié)的內(nèi)容。這就是在未對(duì)齊的地址上使用指針存取所得到的循環(huán)移位結(jié)果。
　　因而，如果想將指針定義到一個(gè)指定地址（即該地址為非自然邊界對(duì)齊），那么在定義該指針時(shí)，必須使用 __packed 限定符來(lái)定義指針： 例如，
　　__packed int *pi; // 指針指向一個(gè)非字對(duì)其內(nèi)存地址
　　使用了_packed限定符限定之后，ARM 編譯器將產(chǎn)生字節(jié)存取命令（LDRB或STRB指令）來(lái)存取內(nèi)存，這樣就不必考慮指針對(duì)齊問題。所生成的代碼是字節(jié)存取的一個(gè)序列，或者取決于編譯選項(xiàng)、跟變量對(duì)齊相關(guān)的移位和屏蔽。但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能和代碼密度的損失。
　　值得注意的是，不能使用 __packed 限定的指針來(lái)存取存儲(chǔ)器映射的外圍寄存器，因?yàn)?ARM 編譯程序可使用多個(gè)存儲(chǔ)器存取來(lái)獲取數(shù)據(jù)。因而，可能對(duì)實(shí)際存取地址附近的位置進(jìn)行存取，而這些附近的位置可能對(duì)應(yīng)于其它外部寄存器。當(dāng)使用了位字段（Bitfield）時(shí)， ARM 程序?qū)⒃L問整個(gè)結(jié)構(gòu)體，而非指定字段。

在ARM中,通常希望字單元的地址是字對(duì)齊的(地址的低兩位為0b00),半字單元的地址是半字對(duì)齊的(地址的最低為0b0).在存儲(chǔ)訪問操作中,如果存儲(chǔ)單元的地址沒有遵守上述的對(duì)齊規(guī)則,則稱為非對(duì)齊(unaligned)的存儲(chǔ)訪問操作.

代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。例如：
unsigned int i = 0×12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;
p=&i;
*p=0×00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0×0000;
最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。
在x86上，類似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊.

有部分摘自ARM編譯器文檔對(duì)齊部分
對(duì)齊的使用:
1.__align(num)
這個(gè)用于修改最高級(jí)別對(duì)象的字節(jié)邊界。在匯編中使用LDRD或者STRD時(shí)
就要用到此命令__align(8)進(jìn)行修飾限制。來(lái)保證數(shù)據(jù)對(duì)象是相應(yīng)對(duì)齊。
這個(gè)修飾對(duì)象的命令最大是8個(gè)字節(jié)限制,可以讓2字節(jié)的對(duì)象進(jìn)行4字節(jié)
對(duì)齊,但是不能讓4字節(jié)的對(duì)象2字節(jié)對(duì)齊。
__align是存儲(chǔ)類修改,他只修飾最高級(jí)類型對(duì)象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對(duì)象。

2.__packed
__packed是進(jìn)行一字節(jié)對(duì)齊
1.不能對(duì)packed的對(duì)象進(jìn)行對(duì)齊
2.所有對(duì)象的讀寫訪問都進(jìn)行非對(duì)齊訪問
3.float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用__packed的對(duì)象將不能字節(jié)對(duì)齊
4.__packed對(duì)局部整形變量無(wú)影響
5.強(qiáng)制由unpacked對(duì)象向packed對(duì)象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定
義為packed。
__packed int* p; //__packed int 則沒有意義
6.對(duì)齊或非對(duì)齊讀寫訪問帶來(lái)問題
__packed struct STRUCT_TEST
{
char a;
int b;
char c;
} ; //定義如下結(jié)構(gòu)此時(shí)b的起始地址一定是不對(duì)齊的
//在棧中訪問b可能有問題,因?yàn)闂Ｉ蠑?shù)據(jù)肯定是對(duì)齊訪問[from CL]
//將下面變量定義成全局靜態(tài)不在棧上
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
__packed int* q; //此時(shí)定義成__packed來(lái)修飾當(dāng)前q指向?yàn)榉菍?duì)齊的數(shù)據(jù)地址下面的訪問則可以
p = (char*)&a;
q = (int*)(p+1);
*q = 0×87654321;
/*
得到賦值的匯編指令很清楚
ldr r5,0×20001590 ; = #0×12345678
[0xe1a00005] mov r0,r5
[0xeb0000b0] bl __rt_uwrite4 //在此處調(diào)用一個(gè)寫4byte的操作函數(shù)

[0xe5c10000] strb r0,[r1,#0] //函數(shù)進(jìn)行4次strb操作然后返回保證了數(shù)據(jù)正確的訪問
[0xe1a02420] mov r2,r0,lsr #8
[0xe5c12001] strb r2,[r1,#1]
[0xe1a02820] mov r2,r0,lsr #16
[0xe5c12002] strb r2,[r1,#2]
[0xe1a02c20] mov r2,r0,lsr #24
[0xe5c12003] strb r2,[r1,#3]
[0xe1a0f00e] mov pc,r14
*/
/*
如果q沒有加__packed修飾則匯編出來(lái)指令是這樣直接會(huì)導(dǎo)致奇地址處訪問失敗
[0xe59f2018] ldr r2,0×20001594 ; = #0×87654321
[0xe5812000] str r2,[r1,#0]
*/