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[资料分享] ARM处理器的内存对齐处理

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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-2-11 15:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
对齐问题主要有3点:变量对齐、结构对齐和数据对齐。前两点是编译器决定的变量映射和结构布局。最后一点与CPU的架构(CISC/RISC)有关。  在大多数情况下,对齐是编译器和CPU的事情,和程序员没什么关系。但在某些情况下,程序员又必须考虑对齐问题,否则会有一些麻烦。  
0 约定和预备知识
0.1 地址边界  
如果把字节看作小房子,内存就是顺序排列的小房子。每个小房子都有一个顺序编号的门牌号码,例如:0,1,2,...,0xffffffff。我们 把这个门牌号码称作地址。本文将2的整数倍的地址记作2n边界,将4的整数倍的地址记作4n边界,依此类推。显然每个地址都是1n边界,每个4n边界都是 2n边界,每个8n边界都是4n边界。  
所谓“对齐”就是把变量放在什么样的地址边界上,例如:1n边界,2n边界,还是4n边界。  
0.2 变量的分类
分类源自角度。有多少角度,就有多少分类。最近经常被迫收听“One World, One dream”,其实在我看来,每个生命都有独一无二的梦想,何况国家。如果狗熊有宗教信仰,它心目中的上帝应该是一只相貌儒雅的狗熊吧。  
0.2.1 基本类型和复合类型  
从构成看,变量可以分为基本类型的变量和复合类型的变量。基本类型就是语言内部支持的简单类型,例如char, short, int, double等。复合类型由基本类型组成,例如结构。本文将基本类型的变量记作基本变量,将复合类型的变量记作复合变量或结构变量。  
基本变量的长度目前有1、2、4、8字节。以后可能会有更大的基本变量。嵌入式环境通常不支持浮点,常见的长度是1、2、4字节。  
0.2.2 变量的地址  
从地址看,变量可以分成有确定地址的变量和没有确定地址的变量。所谓“有确定地址”就是指在程序运行前就有确定的地址。而“没有确定地址”的变量,它们的地址是在运行时确定的。  
全局变量和静态变量都有确定地址。局部变量和动态分配的变量没有确定地址。本文将有确定地址的变量记作有址变量。  
1 变量对齐
1.1 没有确定地址的变量  
  局部变量是从堆栈分配的,编译器通常会保证每个局部变量的地址都在4n边界上。  
  动态分配的变量是从堆上分配。堆的实现与标准库和操作系统有关。在一些简单的嵌入式系统中,我们需要自己实现动态内存分配,这时我们要保证每次分配的内存块地址都在4n边界上,以避免后面谈到的数据对齐问题。  
1.2 有确定地址的变量  
有址变量的地址是在链接时确定的。编译器通常有设置变量对齐方式的编译选项,我们通常使用该选项的默认值。在默认情况下,编译器会按照默认方式对齐放置有址变量。
所谓按“按默认方式对齐”,就是将长度为1的基本变量放在1n边界上。将长度为2的基本变量放在2n边界上。将长度为4的基本变量放在4n边界上,依此类推。  
每个结构变量总是由一个个基本变量构成。结构变量按照该结构中最长的基本变量对齐。如果某个结构基本变量的最大长度是1,编译器就可以把这个结构放在1n边界上。如果某个结构基本变量的最大长度是4,编译器就应该把这个结构放在4n边界上。  
那么结构中的成员变量又是怎样对齐的?  
1.3 变量对齐会带来什么麻烦?  
我在变量对齐问题上吃过一次亏,可以作为本节的一个例子。不过要理解这个例子,读者必须知道ARM CPU的一个特点:就是长度为m的基本变量必须放在mn边界上,否则读写时会发生数据访问错误,其中m=2或4。这就是第3节要介绍的数据对齐。  
事情是这样,我定义了几个缓冲区(大数组),然后动态分配这些内存。我的错误在于将这些数组定义为字节数组。我的分配算法是按块分配,每个数据块的大小都是4的整数倍。读者能猜到错误产生的原因了吗?  
由于我把缓冲区定义为字节数组,编译器就可以把它们放在1n边界。如果缓冲区的起始地址是奇数地址,从缓冲区分配的内存块的起始地址都是奇数地址。 如果这些内存块被用于需要按2或4字节对齐的变量,读写时就会发生数据访问错误。如果编译器恰好把这些缓冲区放在4n边界上,问题就不会暴露出来。所以前 一次编译可能是好的,但是下一次编译就会发生莫名其妙的错误。调试程序与侦破案件差不多,离犯罪现场越远的凶手就越难发现。在我透过各种表象找到根源之前,吃点苦头是难免的。  
解决问题的方法很简单,将缓冲区定义为unsigned int(下文记作uint32)的数组,编译器自然会把它们放到4n边界。在嵌入式系统中,我们经常要为任务定义堆栈。这些堆栈通常都是uint32类型的数组。你知道为什么要把它们定义成uint32数组,而不能定义成字节数组了吗?
2 结构对齐  
2.1 基本长度  
为了描述方便,我们定义一个基本长度的概念。一个基本变量的基本长度就是它的长度,一个结构变量的基本长度就是结构成员中基本变量的最大长度。前面说过:在默认情况下,结构变量就是按照其基本长度对齐的。
2.2 对齐  
在默认情况下,可以认为结构的成员按照默认方式对齐,即长度为m的基本变量放在mn边界上,其中m=1,2,4或8。因为要把成员对齐,结构的各成员间就可能出现填充字节,结构的大小可能大于各成员大小之和。
例如:  
  typedef struct St1Tag  {
          char ch1;
          int num1;
          short sh1;
          short sh2;
          char ch2;  
  } St1;  
这个结构的基本长度是4,所以这个结构的变量要放在4n边界。成员num1的基本长度为4,所以也要放在4n边界。成员ch1从4n边界开始,只占1个字节,所以在ch1和num1之间有3个填充字节。  
在对齐时,编译器会将结构长度取整到基本长度的整数倍。这样以该结构为基本类型的数组既可以连续排列,每个元素又可以对齐放置。所以,sizeof(St1)的值是16,在St1的最后一个成员ch2后面还有3个填充字节。
2.3 紧缩  
各编译器都支持结构的紧缩,即连续排列结构的各成员变量,各成员变量之间没有任何填充字节。这时,结构的大小等于各成员变量大小的和。紧缩结构的变量可以放在1n边界,即任意地址边界。  
在gcc中可以这样定义紧缩结构:  
  typedef struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  }  __attribute__ ((packed)) St2;  
armcc是这样的:  
  typedef __packed struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  } St2;  
VC的写法最麻烦:  
#pragma pack(1)  
  typedef struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
  } St2;  
#pragma pack()  
如果要同时支持gcc、armcc、VC平台,可以把代码写成这样:  
#ifdef __GNUC__  
#define GNUC_PACKED    __attribute__((packed))  
#else  
#define GNUC_PACKED  
#endif   


#ifdef __arm  
#define ARM_PACKED     __packed  
#else  
#define ARM_PACKED  
#endif   


#ifdef WIN32  
#pragma pack(1)  
#endif  
typedef ARM_PACKED struct St2Tag  {
          St1 st1;
          char ch2;  
}  GNUC_PACKED St2;  
#ifdef WIN32  
#pragma pack()  
#endif  
其中:__GNUC__是gcc的预定义宏,__arm__是ARM编译器的预定义宏(__arm和__arm__都可以),可以用它们识别当前的编译器。  
2.4 全局设置  
在VC中,有的程序员习惯设置整个工程的struct member alignment,这对应于命令行选项“/Zpi”,其中i=1,2,4,8,16。如果将这个值设为1,工程中所有结构都是紧缩排列。紧缩排列会增大代码量,降低结构访问效率。我们应该仅在必要的时候使用紧缩结构。
“/Zp1”是紧缩排列,那么“/Zp2”,“/Zp4”等选项是怎样排列的呢?
设选项“/Zpi”中设定的长度是i,设某个结构成员的基本长度是m,则该结构成员按照m和i中较小的值对齐。例如:如果我们设置了“/Zp2”,则基本长度不大于2的成员按照基本长度对齐,基本长度大于2的成员按照2对齐。
其实,我们不应该使用“/Zp2”这么奇怪的选项,除非有非如此不可的理由。  
2.5 紧缩结构的用途  
其实最常用的结构对齐选项就是:默认对齐和紧缩。在两个程序,或者两个平台之间传递数据时,我们通常会将数据结构设置为紧缩的。这样不仅可以减小通信量,还可以避免对齐带来的麻烦。假设甲乙双方进行跨平台通信,甲方使用了“/Zp2”这么奇怪的对齐选项,而乙方的编译器不支持这种对齐方式,那么乙方就可以理解什么叫欲哭无泪了。  
当我们需要一个字节一个字节访问结构数据时,我们通常都会希望结构是紧缩的,这样就不必考虑哪个字节是填充字节了。我们把数据保存到非易失设备时,通常也会采用紧缩结构,既减小存储量,也方便其它程序读出。
2.6 细节  
最后记录一个小细节。gcc编译器和VC编译器都支持在紧缩结构中包含非紧缩结构,例如前面例子中的St2可以包含非紧缩的St1。但对于ARM编译器而言,紧缩结构包含的其它结构必须是紧缩的。如果紧缩的St2包含了非紧缩的St1,编译时就会报错:
error:  #1031efinition of "struct St1Tag" in packed "struct St1T2g"must be __packed  
3 数据对齐
3.1 CISC和RISC
CPU从指令集的特点上可以分为两类:CISC和RISC。CISC和RISC分别是复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer)和精简指令集计算机(ReducedInstruction Set Computer)的缩写。
CPU的工作可以看作以下步骤的反复循环:
step 1: 取指令
step 2: 取数据
step 3: 执行指令
step 4: 输出结果
CISC CPU支持很多寻址模式,因此取数据的时间是不确定的。RISC CPU的最大特点是简化了指令的寻址模式,除了Load/Store指令外,其它指令都采用寄存器寻址,即从寄存器读写数据。这种设计使取数据的时间相对稳定,可以简化指令流水线的设计。
一般而言,RISC架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU,但对于编译器的设计有更高的要求。
  3.2 对齐数据访问
RISC CPU的Load/Store指令要求数据是对齐的。长度为4的数据应放在4n边界上,长度为2的数据应放在2n边界上。以ARM CPU的Load为例:  
LDR       R5,[R4]
LDRSH   R7,[R6]
LDRB     R9,[R8]
LDR、LDRSH、LDRB分别从存储器读取一个字、半字和字节,放到指定寄存器。例如“LDR R5,[R4]”就是从R4指向的存储单元中读一个字(长度为4),放到R5中。 LDR要求数据地址在4n边界上,否则就会发生错误。LDRSH要求数据地址在2n边界上,否则就会发生错误。  
发生什么错误呢?这与具体的CPU有关,在ARM7TDMI上,非对齐访问会导致程序跳到数据访问错误的处理向量,即地址0x00000010处。在ARM920T上,LDR指令可能返回错误的数据。  CISC的CPU支持非对齐的数据读取。  
3.3 例子  
我们来看一个例子:  
  // 例子1
  void test(void) {
         char a[] = {1,2,3,4,5};
         int *pi, i;


         printf("&a[1]=%p\n", &a[1]);
         pi = (int *)&a[1];
         i = *pi;
         printf("0xx\n", i);
         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
}
关键是这句:          i = *pi; 和 *pi = 0x11223344;  我们知道地址pi指向的4个字节依次是:0x02,0x03,0x04,0x05。在小尾的CPU上,我们期待的输出是0x05040302和0x01 0x44 0x33 0x22 0x11。让我们看看这段代码在不同平台的运行效果。
3.3.1 PC/Windows  
输出结果是:
&a[1]=0x0012FF25 0x05040302
0x01 0x44 0x33 0x22 0x11
符合我们的预期,也说明PC的CPU支持非对齐的数据读取。
3.3.2 PC/Linux
输出结果是:
  &a[1]=0xbfa0c36c 0x05040302  
  0x01 0x44 0x33 0x22 0x11
值得注意的是gcc编译器将局部变量a放在了1n边界(0xbfa0c36b)上。我们希望pi是一个奇数地址,将测试代码修改为:
  // 例子2
  void test1(void) {
         int a[] = {0x04030201, 0x08070605};
         int *pi, i;


         pi = (int *)&((char *)&a)[1];
         printf("pi=%p ", pi);
         i = *pi;
         printf("x\n", i);


         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
}
输出结果是:  pi=0xbfe87fe9 0x05040302 0x22334401 0x08070611符合我们的预期。数据对齐是CPU的问题,和编译器、操作系统没有关系。  
3.3.3 ARM920T/Linux  
输出结果是:  &a[1]=0xbec49e55 0x01040302 0x44 0x33 0x22 0x11 0x05 考虑到小尾,CPU实际读到的4个字节依次是0x02,0x03,0x04,0x01。这个结果不是我们所预期的,CPU出错了。
为什么呢?
在ARM中,有ARM和Thumb两种指令。  
ARM指令:每执行一条指令,PC的值加4个字节(32bits).一次访问4字节内容,该字节的起始地址必须是4字节对齐的位置上,即地址的低两位为bits[0b00],也就是说地址必须是4的倍数。  
Thumb指令:每执行一条指令,PC的值加2个字节(16bits).).一次访问2字节内容,该字节的起始地址必须是2字节对齐的位置上,即地址的低两位为bits[0b0],也就是说地址必须是2的倍数。
目前,经过测试发现写内存操作时,会按照地址对齐访问(如上面的*pi = 0x11223344;实际会向((uintptr_t)(pi))& ~(4-1)对齐访问);而读操作没有发现规律。
但是有没有方法进行非对齐访问呢?为此,ARM编译器提供了__packed关键字,__packed是进行一字节对齐,
  void test2(void) {
         char a[] = {1,2,3,4,5};
         __packed int *pi, i;


         printf("&a[1]=%p\n", &a[1]);
         pi = (int *)&a[1];
         i = *pi;
         printf("0xx\n", i);
         *pi = 0x11223344;
         for(i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
         {
              printf("0xx ", a);  
         }
}
输出结果是: &a[1]=0xbec49e55 0x01040302 0x01 0x44 0x33 0x22 0x11
3.3.4 ARM7TDMI
程序在执行:          i = *pi; 时直接跳回Data Abort的处理向量,即地址0x00000010。  
3.4 对策  
在读取紧缩结构或结构的紧缩成员时,编译器会自动产生按字节读取的代码。我们只要在做强制指针转换时细心一些就可以了。我们不应该将指向窄数据的指针强制转换成指向宽数据的指针。在可能发生数据对齐问题的地方,按字节读取数据。



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