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&nbsp; 
<H1>谈谈对齐（下）</H1>
<H2>3 数据对齐</H2>
<H3>3.1 CISC和RISC</H3>
<P>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（Reduced Instruction Set Computer）的缩写。</P>
<P>CPU的工作可以看作以下步骤的反复循环：</P>
<UL>
  <LI>step 1: 取指令 
  <LI>step 2: 取数据 
  <LI>step 3: 执行指令 
  <LI>step 4: 输出结果 </LI></UL>
<P>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。</P>
<P>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。</P>
<H3>3.2 对齐数据访问</H3>
<P>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：</P><PRE>LDR       R5,[R4]
LDRSH     R7,[R6]
LDRB      R9,[R8]
</PRE>
<P>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。</P>
<P>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。</P>
<P>CISC的CPU支持非对齐的数据读取。</P>
<H3>3.3 例子</H3>
<P>我们来看一个例子:</P><PRE>// 例子1
void test(void)
{
	char a[] = {1,2,3,4,5};
	int *pi, i;
	
	printf("&amp;a[1]=%p\n", &amp;a[1]);
	pi = (int *)&amp;a[1];
	i = *pi;
	printf("%08X\n", i);
}
</PRE>
<P>关键是这句：</P><PRE>	i = *pi;
</PRE>
<P>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05040302。让我们看看这段代码在不同平台的运行效果。</P>
<H4>3.3.1 PC/Windows</H4>
<P>输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0012FF25
05040302
</PRE>
<P>符合我们的预期，也说明PC的CPU支持非对齐的数据读取。</P>
<H4>3.3.2 PC/Linux</H4>
<P>输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0xbfa0c36c
05040302
</PRE>
<P>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：</P><PRE>// 例子2
void test(void)
{
        int a[] = {0x04030201, 0x08070605};
        int *pi, i;

        pi = (int *)&amp;((char *)&amp;a)[1];
        printf("pi=%p\n", pi);
        i = *pi;
        printf("%08X\n", i);
}
</PRE>
<P>输出结果是：</P><PRE>pi=0xbfe87fe9
05040302
</PRE>
<P>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。</P>
<H4>3.3.3 ARM920T/Linux</H4>
<P>输出结果是：</P><PRE>&amp;a[1]=0xbec49e55
01040302
</PRE>
<P>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。</P>
<H4>3.3.4 ARM7TDMI</H4>
<P>程序在执行：</P><PRE>	i = *pi;
</PRE>
<P>时直接跳回Data Abort的处理向量，即地址0x00000010。</P>
<H3>3.4 对策</H3>
<P>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。</P>
<H2>4 结束语</H2>
<P>我很欣赏一本叫作《玫瑰的名字》的小说。这是一本侦探小说，但给了我不少编程的启示。威廉教士在迷宫内解不开谜团，在迷宫外却推理出迷宫的真相。我也倾向于在头脑中调试程序，调试器只是不得已而用之。身陷其中，既会改变要测试的对象，也可能被表象迷惑。从外面观察，通过想象推理，有时更容易发现真相，或抓住调试的重点。本文讨论了一些与对齐相关的细节。多了解一些细节，有助于我们在头脑中形成更清晰的程序映像。 
</P>
<P class="right articalinfo">发表于 @ <A title=permalink 
href="http://blog.csdn.net/fmddlmyy/archive/2008/07/24/2707078.aspx">2008年07月24日 
22:42:00</A>|<A title=评论 
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