嵌入式软件开发之： 基于ARM处理器的嵌入式系统设计

从上例可以看出，所有对结构体域成员的访问都是通过字节访问实现的，所以这种不对齐内存访问无论从代码占用的存储器空间，还是代码的执行时间上都要付出一定的代价。

然而，开发者可以给编译器提供更多的信息，使其知道结构体内哪个字段是对齐的，哪个字段不是。为此，必须将未对齐字段声明为__packed，并从struct本身除去__packed属性。通过这种方法可以保证对struct中自然对齐成员的快速访问。而且，哪个字段是未对齐的也更清楚，但这样就增加了访问struct结构的难度，当用户从结构中增加或删除字段时需要特别小心。

修改上例中结构体的定义，来减少访问结构体的开销。具体代码如下所示。

struct mystruct {

int aligned_i;

short aligned_s;

__packed int unaligned_i;

};

struct mystruct S1;

对修改后的程序进行编译，产生的汇编代码如下所示。

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

从编译后的汇编代码不难看出，对结构体内符号自然边界对齐的域，编译器直接使用相应的Load/Store指令进行访问，而只有那些非自然边界对齐的域，编译器才进行附加处理。这样，从时间和空间两方面减小了程序的开销。

同一原理也适应于联合体结构（unions）。使用在存储器中未对齐的联合组件的__packed属性。

13.1.3 用于半字存取的非对齐 LDR指令

一些特殊情况下，ARM编译程序可以生成非对齐LDR指令。特别是编译程序从存储器中载入半字时将使用该方法。这是因为，通过使用相应地址，所需的半字可以载入到寄存器的高半段（bits[31:16]），然后通过移位，将有效数据移到寄存器的低半段（bits[15：0]）。这样做的目的是通过减少内存访问次数来减少程序的执行时间。通过上面的方法，程序只需要一次存储器的访问，而使用LDRB指令做同样的操作需要两次存储器的存取，而且还要为将这两个字节合并在一起添加特殊的代码。在ARM体系结构v3和其早期版本中，通常使用该方法进行所有的半字载入。但在ARMv4及其以后版本中，出现了专门的半字载入指令，这种方法逐渐被取代。但是，非对齐LDR指令仍可能会出现，比如在一个充填结构中存取一个非对齐short域类型。

13.1.4 移植代码并检测非对齐内存访问

在非RISC体系结构的处理器上执行的代码中，可能会存在使用指针访问非自然边界对齐的数据类型。这种操作，在ARM体系结构中是不允许的。这就给代码的移植带来很大困难。用户必须识别并更改此类内存访问代码才能使其在RISC体系结构的处理器上正确执行。

识别非对齐存取可能会很困难，因为使用非对齐地址进行的载入或存储操作会产生不正确的动作。追踪到底是哪部分的C源程序造成了这个问题是很困难的。

具有完整存储器管理单元(MMUs)的ARM处理器，例如ARM920T^TM，支持内存对齐检测功能，用户可以通过设置MMU使处理器检测每一次的内存访问以确保其被正确地对齐。如果出现非对齐内存访问，MMU将产生数据中断。这样就给追踪出错代码带来了很大的方便。

对于一些简单的没有MMU的内核，如ARM7TDMI，最好的方法是在ASIC（Application Specific Integrated Circuit）/ASSP（Application Specific Standard Product）内部实现对齐检测。可以增加专门的ARM内核扩展硬件，由其监控每次数据的访问的内存大小和存取地址总线的最低有效位。在非对齐存取的情况下，可以通过配置ASIC/ASSP产生中断信号（ABORT）。ARM公司建议在需要运行移植代码设备中包含这样的ASIC/ASSP逻辑。

如果在设计系统时，将系统设计成为当出现非对齐的内存访问时产生异常，则必须安装数据中断异常处理程序（Data Abort Handler）。出现非对齐存取时，程序进入数据中断处理程序，并由此识别位于返回地址（在LR中保存的地址）减8(r14-8)的出错数据存取指令。

一旦出现数据中断异常，必须通过改变C源程序来修复非对齐的数据访问。使用下列指令可有条件地完成修复：

#ifdef __arm

#define PACKED __packed

#else

#define PACKED

#endif

:

PACKED int *pi;

:

由于代码大小和性能上的开销，最好尽可能少采用存取非对齐数据。

ARM编译器支持--pointer_alignment和--min_array_alignment与内存对齐相关的编译选项，详见ARM相关文档。