钢筋套筒保护帽:从80X86结构看内存对齐问题

从80X86结构看内存对齐问题

• 发布于: 2010 四月 15
• 作者: Simon_fu
• 目录: 技术, 汇编
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     最近在学习《The art of Assembly language》，该书对80X86 CPU的内存子系统结构，进行了一个比较详细的介绍，并使我对内存对齐的理解更加深入。

内存访问机制

     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到数据总线，把控制总线置为写入操作。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写入操作，则读取数据总线数据，写入相应的内存单元。以内存地址0：125赋值为0为例说明该问题。如下图所示：

图1 内存写入操作

     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。CPU把数据总线中的数据读到寄存器中。以从内存地址0：125读取数据为例说明该问题。如下图所示：

图2 内存读取操作

内存存放顺序

     80×86中，字节（byte）没有什么问题，每个地址对应一个字节，没有存放顺序的问题。对于字（Word）和双字（double word），需要用2个或者4个字节来存储，所以将会有存储顺序的问题，80×86把低字节，放到最低的地址，高字节存放到其后的字节中；最小的字节地址就是该字（word）或者双字（double word）的地址。

图3 内存顺序

     字节（byte），字（word），双字（double word）可以开始于任何地址，当然通过本文后面的介绍你可以知道，这样做效率上面不一定是最好的。

     另外字节，字，双字可以重叠，比如我们可以说有一个字在193处（低字节193，高字节194），我们也可以说有一个字节在194处，我们还可以说有一个双字在192处（第一个字节192，第二字节193，第三个字节194，第四个字节195）。

8bit数据总线CPU内存对齐问题

     由于8088和80188的数据总线宽度为8bit，一个内存周期只能读取一个字节。每次读取内存都需要给地址总线提供需要读写内存单元的地址。比如用上图的例子比如读取188处的字（word），需要用两次读取，第一次读取188内存单元，第二次读取189内存单元。所以在这种情况下没有内存对齐的问题。

图4 8bit数据总线内存访问

16bit数据总线CPU内存对齐问题

     由于8086，80186，80286和80386sx都是16bit数据总线的CPU，这样一个内存周期可以读取16bit数据也就是一个字（word），两个字节的数据。在这种CPU中，内存单元被分成了偶单元（even）和奇单元（odd），如下图所示：

图5 奇单元和偶单元

     16bit数据总线中，0-7bit与偶单元相连，8-15bit与其单元相连。如下图所示：

图6 16bit数据总线内存访问

     每个内存周期，CPU只能读取一个偶单元和一个奇单元。地址总线的地址为偶单元的地址，所以说地址总线的地址永远是2对齐的。

     假如我们读取一个字（Word）数据，该数据是以2对齐的，则一个内存周期即可把它读出开。如果我们读取字（word）数据不是以2对齐的，那么需要读取两个字节周期来完成。比如读取193内存单元中的字，第一个周期中，CPU把地址192放入地址总线，读取其高字节——地址193（16bit数据总线CPU有字节模式）放入地址总线的8-15bit，第二个周期中，CPU把地址194放入地址总线，内存子系统把读取其低字节——地址194，并把其放入地址总线的0-7bit。注意这是word的顺序是错误的，CPU会自动的交换0-7bit到8-15bit。这样完成一个未对齐字的读写。

     对于读取一个字节，如果该字节的地址是2对齐的，那么CPU直接把该地址放入地址总线，读取该地址的数据，放入数据总线的0-7bit。如果该字节的地址不是以2对齐的，那么CPU把该地址-1的地址放入总线，并读取高字节，放入数据总线的8-15bit，最后CPU自动把8-15bit的数据，交换到0-7bit完成字节的读取。

     对于双字（Double Word）的访问，如果以2对齐，则只需要2个周期即可完成。如果没有以2对齐，则需要3个内存周期来完成，具体原因可以参考字和字节的分析。

32bit数据总线的内存访问

    80386以后的CPU都是32bit的数据总线，数据总线和内存的连接如下图所示：

图7 32bit数据总线内存访问

     通过上图和参考上面16bit数据总线CPU的分析，可以看出32bit数据总线在每个内存周期中读取的数据地址都是以4对齐的。

    如果读取一个双字的地址是以4内存对齐的话，一个内存周期即可读出。如果不是以4对齐，则需要两个内存周期来完成操作。

    如果读取一个字的地址对4取模余3的话，那么读取该字需要两个内存周期（CPU会自动完成高位和低位的交换）。如果读取一个字的地址对4取模不余3的话，则只需要一个内存周期即可完成读写，请自行分析。

     对于字节，任何字节地址的访问都是一个内存周期。

总结

     通过以上分析，我们可以发现CPU的架构决定可内存数据对齐，可以提高内存访问的效率（尽可能少的内存周期来访问数据）。

     很多编译器都有优化代码的功能，优化代码的时候会尽可能的使内存对齐。这也是为什么C语言的结构中经常会出现一些很妖娆的sizeof的问题。

     以上是个人观点，欢迎拍砖。