ARM平台的地址对齐问题

前言

ARM流行已久，做嵌入式开发的不知道ARM不大可能。鉴于其所具备的较低功耗下的较高性能，也就成了大多数嵌入式设备的首选了。

不过对于刚上手的人来说，有可能会遇到一些稀奇古怪的问题。毕竟大部分人都习惯了IA-32下的程序设计，虽然两者都是32位的处理器，但是体系架构完全不同，于是也导致了一些隐含的问题。这里想描述一下一个有点蛊惑的问题，即在ARM上访问非对齐地址内容，会出现所谓“不可预料”结果的问题。

ARM内存访问的对齐问题

按照ARM文档上的描述，其访问规则如下：

1. 一次访问4字节内容，该内容的起始地址必须是4字节对齐的位置上；

2. 一次访问2字节内容，该内容的起始地址必须是2字节对齐的位置上；

（单字节的没有这个问题，就不用考虑啦。 ）

好，既然规则如此，那应该遵守。不过么，不安分的人往往喜欢破坏规则，喜欢看看不遵守规则会有什么结果；另外么，即便遵规蹈距的人，有时也难免考虑不周，犯个错也是正常现象。好，那么让我们来看看犯错的结果吧。例如下面的代码：

char      buff[8] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xab, 0xbc, 0xcd};

int        v32, *p32;

short     v16, *p16;

p32 = (int*)&( buff[1] );     //unalignment

p16 = (short*)&( buff[1] );    //unalignment

v32 = *p32;    //what’s the result?

v16 = *p16;    //what’s the result?

如果上面这段代码在IA-32上运行，那么结果应该如下：

v32 = 0x9a785634

v16 = 0x5634

即便非对齐地址上访问，IA-32也就是牺牲一点性能，但是结果保证是正确的。恩，这也是我们所期望的……

可是…… 换到ARM上呢？我们来看看在ADS1.2编译后，执行的结果如下：

v32 = 0x12785634

v16 = 0x1234

这个结果有点奇怪了吧。照理说指向0x34，那么如果是Big-Endian的话，v32应该是0x3456789a，如果是Little-Endian的话，就是前面IA-32的结果。可现在的结果呢？两者都不是，莫名地把更低地址的0x12给凑进来了…… 而如果看看编译生成的汇编code的话，这两个赋值很简单，分别用了ldr和ldrsh指令，指令没有问题，分别用于读取32位和16位数据，都是最基本的指令。嗯，嗯，这就是我们所要描述的访问非对齐地址的问题了。

问题的缘由（个人猜测，非官方资料……）

个人感觉呢，这是ARM体系架构实现的问题，或者说这本来就是By Design的。这样做简化了处理器的实现，IA-32实现的时候肯定会对读取地址是否对齐进行判断，然后转换为相应的操作 ，而ARM呢？没有做这个事情，默认认为大家都按照规矩办事，你要是胆敢破坏，俺就给你好看~~~

那有没有办法解决呢？

这个问题其实ARM自己也知道，所以呢，它在编译器里面，已经添加了部分支持。不过有人会问，那上面那个情况呢？为什么结果还是不对呢？好像没有添加什么支持嘛……

嗯，其实ARM是做了一定的努力的，只是这个情况它没办法解决…… 它做的事情就是：在编译器能够的得知的情况下，尽量保证访问内容的正确。这句话有点笼统，那么把具体情况一个个来看看吧。

编译器的努力（1）—— 所有局部/全局/静态等变量都放在4字节对齐的地址上

其实这个努力很常见，由于在32位平台上，一次访问4字节是效率最高的，所以大多数32平台的编译器都如此处理，ARM的ADS也不例外。

编译器的努力（2）—— 填充、填充、再填充

这个事情么，其实也是常见的。各类编译器上，对于某些结构定义中会产生不对齐的情况，自动填充，以提高访问效率（例如IA-32上访问非对齐的，会加1个周期的）。而ARM的编译器也一样操作，不过感觉这里不单单是为了提高效率，也能够顺带解决这个不对齐的问题。

编译器的努力（3）—— 产生特殊代码

嗯，这个就是关键了，也是ARM编译器的与众不同之处。先来看一段代码：

__packed typedef struct _test
{

      char a;

      short c;
      int d;
} test;

char      buff[8] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xab, 0xbc, 0xcd};

test      *p = (test *)buff;

v32 =    p->d;     //这里的v32借用上面的定义；

貌似多了个限定为__packed的struct，以此来造成不对齐的状况，看不出多大区别嘛。可是运行一下的话，就会发现这里的结果是正确的。我们来看看ADS生成的汇编代码吧。

      v32 = q->d;
[0xe2890003]     add        r0,r9,#3
[0xeb000088]     bl         __rt_uread4
[0xe1a05000]     mov        r5,r0

看到这里的那条"bl         __rt_uread4"的指令了吧。对ARM指令有一定了解的都知道bl其实就是一个函数调用。所以，这里的代码其实是调用了ADS自己提供的__rt_uread4函数，该函数完成的操作就是读取四个字节。ADS提供了类似的一系列函数，针对signed/unsigned，以及4字节/2字节的读取/写入操作。

估计看到这里，大家会问，如果没有__packed限定符呢？猜对了，没有__packed限定符，那么编译器会对上面的情况pending，所以这个struct里面的d所在的位置是4字节对齐的（编译期信息，而非实际运行期信息）。所以就回到类似最初的例子了。

那么，还有一种情况，就是在有__packed的情况下，而struct里的字段都是符合对齐要求的，那么生成的代码会是怎么样的呢？从实际生成的代码来看，和上面的这段汇编代码，唯一的区别就是第一条指令把#3改成了#4，而后面仍旧调用__rt_uread4函数。嗯，这样结论就出来了：

编译器会在使用__packed的情况下，自动对其中的4字节/2字节访问添加特殊代码，以保证其结果的正确。

好了，这个关于这个问题描述得差不多了，可能的话，尽量倚赖编译器的这些功能，而对于编译器无能为力的部分，就要靠万分小心了……

p.s. 其实这里有很多事情可以来尽量预防此类问题，比如嵌入式项目往往喜欢自己管理内存分配，那么自己写的内存分配函数就保证返回的地址都是4字节对齐位置上的……