[工學(xué)]嵌入式系統(tǒng)概論

1、.ARM的字對齊問題總結(jié) 一、啥是字對齊？為啥要字對齊？      現(xiàn)代計算機中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問都可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就是對齊。字節(jié)對齊的原因大致是如下兩條：1、平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。2、性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)

2、存訪問僅需要一次訪問。二、對齊規(guī)則       每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。規(guī)則：1. 數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union)的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員的對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個數(shù)據(jù)成員自身長度中，比較小的那個進行。2. 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，

3、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長度中，比較小的那個進行。3. 結(jié)合1、2可推斷：第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認的對齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認的對齊方式。三、X86對齊實驗       下面再簡要回顧解釋一下上述的對齊規(guī)則，結(jié)合實例進行分析：1. 數(shù)據(jù)類型自身的對齊值：對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1字節(jié)，對于short型為2字節(jié)，對于int,float,double

4、類型，其自身對齊值為4字節(jié)。2. 結(jié)構(gòu)體的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。3. 指定對齊值：#pragma   pack(n)來設(shè)定變量以n字節(jié)對齊方式。n字節(jié)對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況，第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認的對齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認的對齊方式。4. 數(shù)據(jù)成員和結(jié)構(gòu)體的有效對齊值：數(shù)據(jù)成員(數(shù)據(jù)類型)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自身對齊值和指定對齊值中小的那個值，數(shù)據(jù)成員對齊了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自然也就對齊了。了解上述四個基本概念，我們開始討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員

5、和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值。有效對齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0"。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度需要是對結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù)倍)。下面結(jié)合VS2005中編譯環(huán)境的例子進行深入了解：例子B分析：struct Bchar b;int a;short c;假設(shè)B從地址空間0x0000開始排放。該例中沒有顯式指定對齊值N，VS2005默認值為

6、4。成員變量b自身對齊值是1，比指定或默認指定對齊值4小，故有效對齊值為1，其存放地址0x0000符合0x0000%1=0，滿足字節(jié)對齊原則。成員變量a自身對齊值為4，和指定或默認指定對齊值4相等，故有效對齊值也為4，為了保證字節(jié)對齊，成員變量a只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0。成員變量c自身對齊值為2，比指定或默認指定對齊值4小，故有效對齊值為2，可順序存放在0x0008至0x0009兩個字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。至此滿足了數(shù)據(jù)成員的字節(jié)對齊，接著看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的對齊。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(也就是成

7、員變量b）4，故結(jié)構(gòu)體B的有效對齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（102）40。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12。之所以在變量C補充2字節(jié)，是因為要實現(xiàn)編譯器快速有效的存取結(jié)構(gòu)數(shù)組,試想如果定義B結(jié)構(gòu)數(shù)組,第一個結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果不把結(jié)構(gòu)的大小補充為對齊值（4）的整數(shù)倍,那下一個結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對齊了。例子C分析：/*指定按2字節(jié)對

8、齊*/_align(2) struct Cchar b;int a;short c;/*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/   同理，例子C中成員變量b自身對齊值為1，指定對齊值為2，故效對齊值為1，假設(shè)C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0，滿足字節(jié)對齊原則。   成員變量a自身對齊值為4，指定對齊值為2，故有效對齊值為2，順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0，滿足字節(jié)對齊原則。   成員變量c的自身對齊值為2，與指定對齊值相等，故有

9、效對齊值為2，順序存放在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0，滿足字節(jié)對齊原則。   從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是結(jié)構(gòu)體C的變量。結(jié)構(gòu)體C自身對齊值為4，比指定對齊值2大，故C的有效對齊值為2，因8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8，完全滿足字節(jié)對齊原則。   除了指定的對齊值不同能導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址存放不同外， 編譯器不同存放結(jié)構(gòu)體方式也可能不同。四、ARM平臺的對齊問題在ARM中，有ARM和Thumb兩種指令。ARM指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加4個

10、字節(jié)（32bits）.一次訪問4字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是4字節(jié)對齊的位置上，即地址的低兩位為bits0b00,也就是說地址必須是4的倍數(shù)。Thumb指令：每執(zhí)行一條指令，PC的值加2個字節(jié)（16bits）.）.一次訪問2字節(jié)內(nèi)容，該字節(jié)的起始地址必須是2字節(jié)對齊的位置上，即地址的低兩位為bits0b0,也就是說地址必須是2的倍數(shù)。     遵循以上方式叫對齊（aligned）方式，不遵守這樣方式稱為非對齊（unaligned）的存儲訪問操作。五、ARM平臺字節(jié)對齊關(guān)鍵字1. _align(num)   用于修改最高級別對象的字

11、節(jié)邊界。A、在匯編中使用LDRD或者STRD時，就用到此命令_align(8)進行修飾限制。來保證數(shù)據(jù)對象是相應(yīng)對齊。B、該修飾對象的命令最大是8個字節(jié)限制,可讓2字節(jié)的對象進行4字節(jié)   對齊,但是不能讓4字節(jié)的對象2字節(jié)對齊。C、 _align是存儲類修改,他只修飾最高級類型對象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對象。   2. _packed _packed是進行一字節(jié)對齊。A、不能對packed的對象進行對齊；B、所有對象的讀寫訪問都進行非對齊訪問；C、float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用_packed的對象將不能字節(jié)對齊；D、_packed對局部整形變

12、量無影響；D、強制由unpacked對象向packed對象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定義為packed _packed int* p; /_packed int 則沒有意義。3. _unaligned   用于修飾該變量可按照非對齊訪問。六、如何查找與字節(jié)對齊方面的問題如果出現(xiàn)對齊或者賦值問題首先查看：1. 編譯器的big little端設(shè)置；2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪問；3. 如果支持看設(shè)置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標志其特殊訪問操作。七、結(jié)論   針對于32位處理器對于本地使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為提高內(nèi)存訪問效率，采

13、用四字節(jié)對齊方式；同時為了減少內(nèi)存的開銷，合理安排結(jié)構(gòu)成員的位置，減少四字節(jié)對齊導(dǎo)致的成員之間的空隙，降低內(nèi)存開銷。   對于處理器之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要保證消息的長度不因為在不同編譯平臺和不同處理器導(dǎo)致消息結(jié)構(gòu)的長度發(fā)生變化，使用一字節(jié)對齊方式對消息結(jié)構(gòu)進行緊縮；為保證處理器之間的消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存訪問效率，采用字節(jié)填充的方式自己對消息中成員進行四字節(jié)對齊。   數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員位置要兼顧成員之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)訪問效率和空間利用率。順序安排的原則是：四字節(jié)的放在最前面，兩字節(jié)的緊接最后一個四字節(jié)成員，一字節(jié)緊接最后一個兩字節(jié)成員，填充字節(jié)放在最后。舉例如下

14、：typedef struct tag_T_MSGlong ParaA;long ParaB;short ParaC；char ParaD;char Pad; /* 填充字節(jié) */ T_MSG; ARM處理器CPSR標志位和條件符之間的關(guān)系類別：嵌入式系統(tǒng)   閱讀：862 本文目的是要理清ARM處理器的CPSR狀態(tài)標志和ARM指令的條件符之間的關(guān)系。 一、CPSR寄存器 ARM V4的CPSR寄存器（和保存它的SPSR寄存器）中的位分配如下圖1所示。圖1 程序狀態(tài)寄存器格式 狀態(tài)標志位含義：（其它位的含義和本文主題無關(guān)，此處不多介紹） N N=1 表示運算的結(jié)果為負數(shù)；N

15、=0 表示運算的結(jié)果為正數(shù)或零； Z Z=1 表示運算的結(jié)果為零；Z=0表示運算的結(jié)果為非零； C 可以有4種方法設(shè)置C的值： 加法運算（包括比較指令CMN）：當運算結(jié)果產(chǎn)生了進位時（無符號數(shù)溢出），C=1，否則C=0。 減法運算（包括比較指令CMP）：當運算時產(chǎn)生了借位，C=0，否則C=1。 對于包含移位操作的非加/減運算指令，C為移出值的最后一位。 對于其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。V 可以有2種方法設(shè)置V的值： 對于加/減法運算指令，當操作數(shù)和運算結(jié)果為二進制的補碼表示的帶符號數(shù)時，V=1表示符號位溢出。 對于其他的非加/減運算指令，V的值通常不改變 二、條件符及對應(yīng)的標志位

16、 表1 條件符描述表三、關(guān)于C、V值更多的解釋 處理器內(nèi)部以補碼表示有符號數(shù)，8個二制位能夠表達的整數(shù)范圍是：+127 -128，16位表達的范圍是：+32767 -32768。如果運算結(jié)果超出了這個范圍，就是產(chǎn)生了溢出,有溢出，說明有符號數(shù)的運算結(jié)果需要考慮溢出情況。溢出標志V和進位標志C是兩個意義不同的標志。進位標志表示無符號數(shù)運算結(jié)果是否超出范圍；溢出標志表示有符號數(shù)運算結(jié)果是否超出范圍。處理器對兩個操作數(shù)進行運算時，按照無符號數(shù)求得結(jié)果，并相應(yīng)設(shè)置進位標志C；同時，根據(jù)是否超出有符號數(shù)的范圍設(shè)置溢出標志V。應(yīng)該利用哪個標志，則由程序員來決定。也就是說，如果將參加運算的操作數(shù)認為是無符號

17、數(shù)，就應(yīng)該關(guān)心進位；認為是有符號數(shù)，則要注意是否溢出。判斷運算結(jié)果是否溢出有一個簡單的規(guī)則：只有當兩個相同符號數(shù)相加，而運算結(jié)果的符號與原數(shù)據(jù)符號相反時，產(chǎn)生溢出；其他情況下，則不會產(chǎn)生溢出。代碼舉例1： LDR r0, =0x7fffffff LDR r1, =0x70000000; ADDS r0, r0, r1; /結(jié)果=0xefffffff 對于無符號數(shù)運算來說，沒有進位。對于有符號數(shù)運算來說，溢出。此時C=0 V=1； 代碼舉例2： LDR r0, =0xffffffff LDR r1, =0x70000000; ADDS r0, r0, r1; /結(jié)果=0x6fffffff 對于無

18、符號數(shù)運算來說，有進位。對于有符號數(shù)運算來說，無溢出。此時C=1 V=0； 代碼舉例3： LDR r0, =0x8fffffff LDR r1, =0xf0000000 ; ADDS r0, r0, r1; /結(jié)果=0x7fffffff 此時C=？ V=？；（思考一下，然后在ARM模擬器中驗證下） 代碼舉例4：/思考減法時，C值的影響 LDR r0, =0x3 LDR r1, =0x2 SUBS r0, r0, r1 對比： LDR r0, =0x3 LDR r1, =-2;（-2的補碼0xfffffffe會送到r1） ADDS r0, r0, r1 四、CPSR狀態(tài)標志和ARM指令的條件符之間的關(guān)系 有了上面的背景知識以后，接下來思考表1中CPSR狀態(tài)標志和ARM指令的條件符之間的關(guān)系，下面選取其中的一項來分析。如：GE：(有符號數(shù)大于等于) N=0 V=0：結(jié)果是大于等于0的數(shù)，且無符合溢出，所以大于等于關(guān)系成立 N=1 V=1：結(jié)果小于0，但有符號溢出 考慮以下情況：c