嵌入式軟件開發(fā)之： 基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從上例可以看出，所有對(duì)結(jié)構(gòu)體域成員的訪問都是通過字節(jié)訪問實(shí)現(xiàn)的，所以這種不對(duì)齊內(nèi)存訪問無論從代碼占用的存儲(chǔ)器空間，還是代碼的執(zhí)行時(shí)間上都要付出一定的代價(jià)。

然而，開發(fā)者可以給編譯器提供更多的信息，使其知道結(jié)構(gòu)體內(nèi)哪個(gè)字段是對(duì)齊的，哪個(gè)字段不是。為此，必須將未對(duì)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(duì)struct中自然對(duì)齊成員的快速訪問。而且，哪個(gè)字段是未對(duì)齊的也更清楚，但這樣就增加了訪問struct結(jié)構(gòu)的難度，當(dāng)用戶從結(jié)構(gòu)中增加或刪除字段時(shí)需要特別小心。

修改上例中結(jié)構(gòu)體的定義，來減少訪問結(jié)構(gòu)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(duì)修改后的程序進(jìn)行編譯，產(chǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)符號(hào)自然邊界對(duì)齊的域，編譯器直接使用相應(yīng)的Load/Store指令進(jìn)行訪問，而只有那些非自然邊界對(duì)齊的域，編譯器才進(jìn)行附加處理。這樣，從時(shí)間和空間兩方面減小了程序的開銷。

同一原理也適應(yīng)于聯(lián)合體結(jié)構(gòu)（unions）。使用在存儲(chǔ)器中未對(duì)齊的聯(lián)合組件的__packed屬性。

13.1.3 用于半字存取的非對(duì)齊 LDR指令

一些特殊情況下，ARM編譯程序可以生成非對(duì)齊LDR指令。特別是編譯程序從存儲(chǔ)器中載入半字時(shí)將使用該方法。這是因?yàn)?，通過使用相應(yīng)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(shù)據(jù)移到寄存器的低半段（bits[15：0]）。這樣做的目的是通過減少內(nèi)存訪問次數(shù)來減少程序的執(zhí)行時(shí)間。通過上面的方法，程序只需要一次存儲(chǔ)器的訪問，而使用LDRB指令做同樣的操作需要兩次存儲(chǔ)器的存取，而且還要為將這兩個(gè)字節(jié)合并在一起添加特殊的代碼。在ARM體系結(jié)構(gòu)v3和其早期版本中，通常使用該方法進(jìn)行所有的半字載入。但在ARMv4及其以后版本中，出現(xiàn)了專門的半字載入指令，這種方法逐漸被取代。但是，非對(duì)齊LDR指令仍可能會(huì)出現(xiàn)，比如在一個(gè)充填結(jié)構(gòu)中存取一個(gè)非對(duì)齊short域類型。

13.1.4 移植代碼并檢測(cè)非對(duì)齊內(nèi)存訪問

在非RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行的代碼中，可能會(huì)存在使用指針訪問非自然邊界對(duì)齊的數(shù)據(jù)類型。這種操作，在ARM體系結(jié)構(gòu)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(shí)別并更改此類內(nèi)存訪問代碼才能使其在RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器上正確執(zhí)行。

識(shí)別非對(duì)齊存取可能會(huì)很困難，因?yàn)槭褂梅菍?duì)齊地址進(jìn)行的載入或存儲(chǔ)操作會(huì)產(chǎn)生不正確的動(dòng)作。追蹤到底是哪部分的C源程序造成了這個(gè)問題是很困難的。

具有完整存儲(chǔ)器管理單元(MMUs)的ARM處理器，例如ARM920T^TM，支持內(nèi)存對(duì)齊檢測(cè)功能，用戶可以通過設(shè)置MMU使處理器檢測(cè)每一次的內(nèi)存訪問以確保其被正確地對(duì)齊。如果出現(xiàn)非對(duì)齊內(nèi)存訪問，MMU將產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。這樣就給追蹤出錯(cuò)代碼帶來了很大的方便。

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的沒有MMU的內(nèi)核，如ARM7TDMI，最好的方法是在ASIC（Application Specific Integrated Circuit）/ASSP（Application Specific Standard Product）內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)齊檢測(cè)?？梢栽黾訉ｉT的ARM內(nèi)核擴(kuò)展硬件，由其監(jiān)控每次數(shù)據(jù)的訪問的內(nèi)存大小和存取地址總線的最低有效位。在非對(duì)齊存取的情況下，可以通過配置ASIC/ASSP產(chǎn)生中斷信號(hào)（ABORT）。ARM公司建議在需要運(yùn)行移植代碼設(shè)備中包含這樣的ASIC/ASSP邏輯。

如果在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為當(dāng)出現(xiàn)非對(duì)齊的內(nèi)存訪問時(shí)產(chǎn)生異常，則必須安裝數(shù)據(jù)中斷異常處理程序（Data Abort Handler）。出現(xiàn)非對(duì)齊存取時(shí)，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)中斷處理程序，并由此識(shí)別位于返回地址（在LR中保存的地址）減8(r14-8)的出錯(cuò)數(shù)據(jù)存取指令。

一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷異常，必須通過改變C源程序來修復(fù)非對(duì)齊的數(shù)據(jù)訪問。使用下列指令可有條件地完成修復(fù)：

#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(duì)齊數(shù)據(jù)。

ARM編譯器支持--pointer_alignment和--min_array_alignment與內(nèi)存對(duì)齊相關(guān)的編譯選項(xiàng)，詳見ARM相關(guān)文檔。