8086架构的CPU的内存访问机制以及内存对齐(memory alignment)

GNU C - 关于8086的内存访问机制以及内存对齐(memory alignment)

接着前面的文章，这篇文章就来说说menory alignment -- 内存对齐.

 

一、为什么需要内存对齐？

 

无论做什么事情，我都习惯性的问自己：为什么我要去做这件事情？ 是啊，这可能也是个大家都会去想的问题，

因为我们都不能稀里糊涂的或者。那为什么需要内存对齐呢？这要从cpu的内存访问机制说起.

 

为了了解清楚cpu的内存访问机制，昨天整晚都在查找资料，但是还是找不到很好的介绍资料.后来只是找到了相关

的一些介绍的博客。 这些博客中大多都是以介绍内存对齐为主要目的，然后顺带着说一下cpu的内存访问机制,所以

找不到权威的资料，后来听说<<汇编语言编程艺术>>这本书里面有关于x86的系统介绍，就下载了一份PDF，但是

也还是没有找到.

 

所以呢下面的一些关于x86的内存访问方面的只是很多都是来源于一些比较好的博客.在文章的最后我会注明参考的

博客链接，作为扩展阅读.

 

简单介绍x86的内存访问机制:

1.内存的写入操作: cpu把需要写入的地址放入地址总线, 把需要写入的数据放入数据总线, 把控制总线置为写入操作.

         然后内存子系统根据地址总线选定内存单元, 检查控制总线发现是写入操作,则入去数据总线数据, 写入相关内存

         单元.

 

2.内存的读入操作: cpu把需要读入的地址放入地址总线, 把控制总线置为读入操作. 内存子系统根据地址总线选定内存

         单元, 检查控制总线发现是读入操作, 则读取内存单元中的数据, 写入数据总线.

 

 16bit数据总线: 每个内存周期，cpu只能读取一个偶单元和一个奇单元，地址总线的地址是偶单元的地址，所以地址总线的地址永远是2对齐的.

        每个内存周期，可以读取一个字，也就是16bit.

   1.读取一个字，如果是以2对齐的，则只需要一个内存周期即可完成.如果数据不是以2对齐的，则需要2个内存周期.

   2.读取双字: 如果是以2对齐的，则只需要2个内存周期即可完成,如果数据不是以2对齐的，则需要3个内存周期完成.

 

32bit数据总线: 每个内存周期,读取的数据地址都是以4对齐的.一个内存周期可以读取一个双字，也就是32bit.

    1.如果读取一个双字，地址是以4对齐的话，则只需要一个内存周期即可完成.如果不是以4对齐,则需要2个内存周期完成.

    2.如果读取一个字，地址是对4取模余3的话，那么需要2个内存周期完成对数据的读取.地址如果对4去模不余3的话，则

       只需要一个内存周期即可完成数据读取.

    3. 对于字节, 任何字节地址读取只需要一个内存周期.

 

通过上面可以看得出,为什么16bit数据总线cpu是以2对齐的,而32bit数据总线cpu是以4对齐的. 最主要的原因是能够在最小的

内存周期内完成对地址的访问，提高cpu的效率.

 

二、内存对齐的作用

   如果不采用内存对齐机制的话，有些地址的访问需要在多个内存周期内完成，而且还需要多次内存周期读取的高低字节

进行拼凑，然后得到32bit数据.  如果使用内存对齐机制，不仅可以减少对地址访问过程中需要的内存周期，而且还避免了

高低字节的数据拼凑，提高了cpu的工作效率.

 

三、编译器是如何处理内存对齐的？

 

1 2 3 4 5 6 7 8

struct mem_alignment {     char     a;       int      b;       char     c; };

 

 

 在32位x86机器上面它的大小是12. 另外一个问题，如果结构体中的成员变量顺序不一样会导致该结构在内存中的长度

 也不一样，就像上面，如果改成下面这个样子：

 

1 2 3 4 5 6 7 8

struct mem_alignment {     char     a;       char     c;       int      b; };

 

 那么它的大小就变成了8.

 

 如果我们使用紧凑的对齐方式 __attribute__((packed)) or  __attribute__((aligned (1)))的话，

 那么struct mem_alignment的大小应该是6. 或者是使用伪指令#pragma pack (1).

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

#pragma pack (1)   struct mem_alignment {     char     a;       char     c;       int      b; };   #pragma pack ()

 

 

  上面最后一句的作用是恢复编译器默认的对齐方式.

 
关于内存对齐方面的知识就总结到这里. 也算是对前面文章的交代了~

 

参考资料:

          <<从80X86结构看内存对齐问题>> http://my.unix-center.net/~Simon_fu/?p=262

          <<oschina 内存对齐的问题>>  http://www.oschina.net/question/234345_48055

          <<Thinking in linux C/C++字节对齐详解>> http://www.linuxsong.org/2010/09/c-byte-alignment/