RISC 下非对齐访问的问题

1. 问题

RISC 下使用访存指令读取或写入数据单元时，目标地址必须是所访问之数据单元字节数的整数倍，这个叫做地址对齐。

比 如在 MIPS 平台上，lh 读取一个半字时，存储器的地址必须是 2 的整数倍； lw 读取一个字时，存储器的地址必须是 4的整数倍； sd 写入一个双字时，存储器的地址必须是 8 的整数倍。倘若访存时，目标地址不对齐，则会引起异常,典型的是系统提示“总线错误”后，直接杀死进程。

看一个测试程序（龙芯2E平台）：

#include <stdio.h>
#include <sys/sysmips.h>

unsigned short data[] = {
  0x1, 0x2, 0x3, 0x4,
  0x55aa, 0x66bb, 0x77cc, 0x0000,
};

inline void unaligned_access(unsigned short * const row)
{
  asm volatile
    (
        ".set mips3 "
        ".set noreorder "

        //"lwr $10, 1(%1) "
        //"lwl $11, 4(%1) "
        //"or $10, $11 "
        "ld $10, 2(%1) "     /* %1 is double word aligned, %1+2 is double word unaligned */
        "sd $10, %0 "

        ".set reorder "
        ".set mips0 "
        : "=m"(*(row))
        : "r"(row+4)
        : "$8", "$9", "$10"
    );
}

int main()
{
  printf("--------------------------------------------------------- ");
  printf(" Testing Godson2 unaligned access Instruction  ");
  printf("--------------------------------------------------------- ");

// sysmips(MIPS_FIXADE, 0);

  unaligned_access(data);

  printf("result is: 0x%04x %04x %04x %04x ", data[3], data[2], data[1], data[0]);

}

程序运行后系统提示“非法指令”后退出。


CISC 下（如x86）访存时，如果目标地址不对齐，CPU 不会陷入异常，因为其内部有处理非对齐访问的微程序。


2. 解决

高级语言中一般不会遇到这种问题，编译器常常会处理好数据类型的对齐。但万一遇到、抑或在汇编里遇到，避不开怎么办？

可以使用 MIPS 的指令集里提供的 lwr/lwl, swr/srl, ldr/ldl, sdr/sdl 指令对。关于他们的原理可以用下图来简单的示意一下（以ldr/ldl 为例，其他类似）：






上图解释的是小端模式下的情况，大端模式的情况则相反：首先 ldl t0, 0(t1)，然后再 ldr t0, 7(t1)。

可 以看到无论大端模式还是小端模式，非对齐访问的解决都是将原来的一条指令（对齐访问）完成的事分两步完成，即首先取始地址 addr 到下一个对齐地址处的部分数据，置入寄存器右部（小端），（大端置入左部(高位)），然后取从该对齐地址到 addr + len - 1 处的部分数据（len 为数据单元长度，半字为2, 双字为8），置入寄存器左部（小端）。

如小端机器上，始地址为 t1 = 0x1022，则：

ldr t0, 0(t1) 取 0x1022~0x1027 到 t0 的右部
ldl   t0, 7(t1) 取 0x1028~0x1029 到 t0 的左部

注 意上述指令的后缀 r(right), l(left) 都是相对寄存器而言，load 操作是把取到的部分数据，置入寄存器的 left 或者 right， store 操作是将寄存器中数据的 left 或者 right 部分，写入目标地址而已。无论大端和小端寄存器的格式都是固定的，即右端为低位，左端为高位。任意第一条 ldr/ldl/lwr/lwl/sdr/sdl/swr/swl 只能访问内存的始地址到下一个对齐地址处。