嵌入式軟件開發之: 基于ARM處理器的嵌入式系統設計
從上例可以看出,所有對結構體域成員的訪問都是通過字節訪問實現的,所以這種不對齊內存訪問無論從代碼占用的存儲器空間,還是代碼的執行時間上都要付出一定的代價。
然而,開發者可以給編譯器提供更多的信息,使其知道結構體內哪個字段是對齊的,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結構的難度,當用戶從結構中增加或刪除字段時需要特別小心。
修改上例中結構體的定義,來減少訪問結構體的開銷。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,對結構體內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合體結構(unions)。使用在存儲器中未對齊的聯合組件的__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,將有效數據移到寄存器的低半段(bits[15:0])。這樣做的目的是通過減少內存訪問次數來減少程序的執行時間。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合并在一起添加特殊的代碼。在ARM體系結構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,比如在一個充填結構中存取一個非對齊short域類型。
注意 | 在RVCT中已經不再支持ARMv3架構。 |
13.1.4 移植代碼并檢測非對齊內存訪問
在非RISC體系結構的處理器上執行的代碼中,可能會存在使用指針訪問非自然邊界對齊的數據類型。這種操作,在ARM體系結構中是不允許的。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存訪問代碼才能使其在RISC體系結構的處理器上正確執行。
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ARM920TTM,支持內存對齊檢測功能,用戶可以通過設置MMU使處理器檢測每一次的內存訪問以確保其被正確地對齊。如果出現非對齊內存訪問,MMU將產生數據中斷。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的內核,如ARM7TDMI,最好的方法是在ASIC(Application Specific Integrated Circuit)/ASSP(Application Specific Standard Product)內部實現對齊檢測。可以增加專門的ARM內核擴展硬件,由其監控每次數據的訪問的內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。
如果在設計系統時,將系統設計成為當出現非對齊的內存訪問時產生異常,則必須安裝數據中斷異常處理程序(Data Abort Handler)。出現非對齊存取時,程序進入數據中斷處理程序,并由此識別位于返回地址(在LR中保存的地址)減8(r14-8)的出錯數據存取指令。
一旦出現數據中斷異常,必須通過改變C源程序來修復非對齊的數據訪問。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據。
ARM編譯器支持--pointer_alignment和--min_array_alignment與內存對齊相關的編譯選項,詳見ARM相關文檔。
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