嵌入式軟件開發(fā)之： 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設計

從上例可以看出，所有對結(jié)構(gòu)體域成員的訪問都是通過字節(jié)訪問實現(xiàn)的，所以這種不對齊內(nèi)存訪問無論從代碼占用的存儲器空間，還是代碼的執(zhí)行時間上都要付出一定的代價。

然而，開發(fā)者可以給編譯器提供更多的信息，使其知道結(jié)構(gòu)體內(nèi)哪個字段是對齊的，哪個字段不是。為此，必須將未對齊字段聲明為__packed，并從struct本身除去__packed屬性。通過這種方法可以保證對struct中自然對齊成員的快速訪問。而且，哪個字段是未對齊的也更清楚，但這樣就增加了訪問struct結(jié)構(gòu)的難度，當用戶從結(jié)構(gòu)中增加或刪除字段時需要特別小心。

修改上例中結(jié)構(gòu)體的定義，來減少訪問結(jié)構(gòu)體的開銷。具體代碼如下所示。

struct mystruct {

int aligned_i;

short aligned_s;

__packed int unaligned_i;

};

struct mystruct S1;

對修改后的程序進行編譯，產(chǎn)生的匯編代碼如下所示。

MOV r2,r0

LDR r0,|L1.32|

STR r2,[r0,#0]

STRH r1,[r0,#4]

LDMIB r0,{r3,r12}

MOV r0,r3,LSR #16

ORR r0,r0,r12,LSL #16

BX lr

從編譯后的匯編代碼不難看出，對結(jié)構(gòu)體內(nèi)符號自然邊界對齊的域，編譯器直接使用相應的Load/Store指令進行訪問，而只有那些非自然邊界對齊的域，編譯器才進行附加處理。這樣，從時間和空間兩方面減小了程序的開銷。

同一原理也適應于聯(lián)合體結(jié)構(gòu)（unions）。使用在存儲器中未對齊的聯(lián)合組件的__packed屬性。

13.1.3 用于半字存取的非對齊 LDR指令

一些特殊情況下，ARM編譯程序可以生成非對齊LDR指令。特別是編譯程序從存儲器中載入半字時將使用該方法。這是因為，通過使用相應地址，所需的半字可以載入到寄存器的高半段（bits[31:16]），然后通過移位，將有效數(shù)據(jù)移到寄存器的低半段（bits[15：0]）。這樣做的目的是通過減少內(nèi)存訪問次數(shù)來減少程序的執(zhí)行時間。通過上面的方法，程序只需要一次存儲器的訪問，而使用LDRB指令做同樣的操作需要兩次存儲器的存取，而且還要為將這兩個字節(jié)合并在一起添加特殊的代碼。在ARM體系結(jié)構(gòu)v3和其早期版本中，通常使用該方法進行所有的半字載入。但在ARMv4及其以后版本中，出現(xiàn)了專門的半字載入指令，這種方法逐漸被取代。但是，非對齊LDR指令仍可能會出現(xiàn)，比如在一個充填結(jié)構(gòu)中存取一個非對齊short域類型。

13.1.4 移植代碼并檢測非對齊內(nèi)存訪問

在非RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行的代碼中，可能會存在使用指針訪問非自然邊界對齊的數(shù)據(jù)類型。這種操作，在ARM體系結(jié)構(gòu)中是不允許的。這就給代碼的移植帶來很大困難。用戶必須識別并更改此類內(nèi)存訪問代碼才能使其在RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上正確執(zhí)行。

識別非對齊存取可能會很困難，因為使用非對齊地址進行的載入或存儲操作會產(chǎn)生不正確的動作。追蹤到底是哪部分的C源程序造成了這個問題是很困難的。

具有完整存儲器管理單元(MMUs)的ARM處理器，例如ARM920T^TM，支持內(nèi)存對齊檢測功能，用戶可以通過設置MMU使處理器檢測每一次的內(nèi)存訪問以確保其被正確地對齊。如果出現(xiàn)非對齊內(nèi)存訪問，MMU將產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。這樣就給追蹤出錯代碼帶來了很大的方便。

對于一些簡單的沒有MMU的內(nèi)核，如ARM7TDMI，最好的方法是在ASIC（Application Specific Integrated Circuit）/ASSP（Application Specific Standard Product）內(nèi)部實現(xiàn)對齊檢測?？梢栽黾訉ｉT的ARM內(nèi)核擴展硬件，由其監(jiān)控每次數(shù)據(jù)的訪問的內(nèi)存大小和存取地址總線的最低有效位。在非對齊存取的情況下，可以通過配置ASIC/ASSP產(chǎn)生中斷信號（ABORT）。ARM公司建議在需要運行移植代碼設備中包含這樣的ASIC/ASSP邏輯。

如果在設計系統(tǒng)時，將系統(tǒng)設計成為當出現(xiàn)非對齊的內(nèi)存訪問時產(chǎn)生異常，則必須安裝數(shù)據(jù)中斷異常處理程序（Data Abort Handler）。出現(xiàn)非對齊存取時，程序進入數(shù)據(jù)中斷處理程序，并由此識別位于返回地址（在LR中保存的地址）減8(r14-8)的出錯數(shù)據(jù)存取指令。

一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷異常，必須通過改變C源程序來修復非對齊的數(shù)據(jù)訪問。使用下列指令可有條件地完成修復：

#ifdef __arm

#define PACKED __packed

#else

#define PACKED

#endif

:

PACKED int *pi;

:

由于代碼大小和性能上的開銷，最好盡可能少采用存取非對齊數(shù)據(jù)。

ARM編譯器支持--pointer_alignment和--min_array_alignment與內(nèi)存對齊相關(guān)的編譯選項，詳見ARM相關(guān)文檔。