存儲器系統(tǒng)的非對齊訪問

我是之前在試驗STM32G031G8U6單片機內(nèi)部FLASH讀操作時候發(fā)現(xiàn)的這個問題：STM32F103的flash數(shù)據(jù)可以從任意地址讀，而STM32G031G8U6就不行，讀數(shù)據(jù)地址不對齊的話會死機，

關于什么是非對齊訪問，可以參考下圖1，來源于CM3權威指南CH5相關內(nèi)容：

圖1

先說結(jié)論：

1.Cortex-M0內(nèi)核不支持****非對齊訪問

2.Cortex-M3內(nèi)核支持非對齊訪問

3.intel i5支持非對齊訪問

4 .是否支持對存儲器的非對齊訪問取決于具體使用的內(nèi)核

本次試驗的完成耽誤了很久，因為最近一周我得新冠了，體質(zhì)差得新冠了啥也做不了。以下記錄了我的 實驗驗證過程，過程很長， 沒時間看的小伙伴了解上面的結(jié)論就夠了 。我將在三種不同的內(nèi)核平臺上進行測試，為簡化試驗，我只在全局區(qū)驗證，原因在于：相同數(shù)據(jù)類型變量在全局區(qū)和棧區(qū)的內(nèi)存地址排列方式是不同的

一、在搭載intel i5 64位內(nèi)核、安裝了64位windows的電腦上，創(chuàng)建一個win32控制臺應用程序，編譯方式選擇release模式**（關于CPU位數(shù)、操作系統(tǒng)位數(shù)、應用程序位數(shù)三者的內(nèi)部關系這里不展開，我暫時也不咋清楚，本篇只關注非對齊訪問這個主題）**

1 單字節(jié)數(shù)據(jù)類型： 全局變量緊挨著，按地址遞減排列， 可以在任意地址訪問，當然了單字節(jié)壓根不存在非對齊訪問的問題。 以下為試驗代碼，圖2為執(zhí)行結(jié)果

#include "stdafx.h"
#include "stdint.h"


uint8_t a, b, c, d, e, f;


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
  int i = 0;
  *(uint8_t*)&a = 0x01;
  *(uint8_t*)&b = 0x02;
  *(uint8_t*)&c = 0x03;
  *(uint8_t*)&d = 0x04;
  *(uint8_t*)&e = 0x05;
  *(uint8_t*)&f = 0x06;
  printf("global var addr: %p %p %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d, &e, &f);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", a, b, c, d, e, f);


  printf("the memory region:
");
  uint8_t* p = (uint8_t*)(((uint32_t)&a) % 4 + (uint32_t)&a);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p - i));
  }
  printf("
");


  getchar();
  return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

圖2

2 兩字節(jié)數(shù)據(jù)類型：全局變量的首地址自動按4字節(jié)對齊，因此沒有挨著排列（2個padding字節(jié)） ，并且地址是從高到低的 ，但是可以進行非對齊訪問。 以下試驗代碼的執(zhí)行結(jié)果如圖3，對變量c地址的兩字節(jié)賦值操作，賦值后，它自個兒在內(nèi)存中跨了兩個4字節(jié)區(qū)域，也就是數(shù)據(jù)本身沒有對齊，這個和它向下生長有關系，和我這里討論的非對齊訪問不是一回事，然后讀的時候能順利讀出來，程序沒有發(fā)生死機，也就是可以非對齊訪問。

#include "stdafx.h"
#include "stdint.h"


uint16_t a, b, c, d;


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
  int i = 0;
  *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2) = 0x01ff;
  *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1) = 0x02ff;
  *(uint16_t*)&c = 0x03ff;
  *(uint16_t*)&d = 0x04ff;
  printf("global var addr: %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2), *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1), a, b, c, d);


  printf("the memory region:
");
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)((uint8_t*)&a - i + 4));
  }
  printf("
");


  getchar();
  return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

圖3

3.四字節(jié)數(shù)據(jù)類型： 全局變量的首地址自動按4字節(jié)對齊，緊挨著、地址遞減排列，可以進行非對齊訪問。 執(zhí)行結(jié)果如圖4，在這個平臺環(huán)境下，四字節(jié)數(shù)據(jù)的放置規(guī)則：首地址按四字節(jié)對齊，但是數(shù)據(jù)本身不對齊，和兩字節(jié)數(shù)據(jù)一樣，拆成了上下兩部分，另外三個字節(jié)放到高地址的四個字節(jié)區(qū)域。

#include "stdafx.h"
#include "stdint.h"


uint32_t a, b;


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
  int i = 0;
  *(uint32_t*)((uint8_t*)&a+1) = 0x01020304;
  *(uint32_t*)&b = 0x05060708;
  printf("global var addr: %p %p
", &a, &b);
  printf("global var value: %08x %08x
", a, b);


  printf("the memory region:
");
  uint8_t* p = (uint8_t*)(((uint32_t)&a) % 4 + (uint32_t)&a);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p - i + 4));
  }
  printf("
");


  getchar();
  return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

圖4

二、32位的cm0內(nèi)核，stm32g031單片機，裸機編程

1 單字節(jié)數(shù)據(jù)類型：全局變量緊挨著，和windows平臺不一樣， cm0內(nèi)核平臺在這里按地址遞增排列 ，可以在任意地址訪問，當然了單字節(jié)壓根不存在非對齊訪問的問題。以下為試驗代碼，圖5為執(zhí)行結(jié)果

uint8_t a, b, c, d, e, f;
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART2_UART_Init(230400);

  int i = 0;
  *(uint8_t*)&a = 0x01;
  *(uint8_t*)&b = 0x02;
  *(uint8_t*)&c = 0x03;
  *(uint8_t*)&d = 0x04;
  *(uint8_t*)&e = 0x05;
  *(uint8_t*)&f = 0x06;
  printf("global var addr: %p %p %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d, &e, &f);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", a, b, c, d, e, f);
  printf("the memory region:
");
  uint8_t* p = (uint8_t*)((uint32_t)&a - ((uint32_t)&a) % 4);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p + i));
  }
  printf("
");

  while (1)
  {


  }
}

圖5

2.兩字節(jié)數(shù)據(jù)類型：全局變量的首地址自動按2字節(jié)對齊，因此沒有挨著排列（2個padding字節(jié)） ，并且地址是從低到高的 ，不可以進行非對齊訪問（無論進行非對齊的讀還是寫都會導致死機）。 以下試驗代碼的執(zhí)行結(jié)果如圖6，可通過解開屏蔽的代碼來驗證首地址對齊規(guī)則和非對齊訪問規(guī)則

//uint8_t padding;
uint16_t a, b, c, d;
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART2_UART_Init(230400);

    int i = 0;
  *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2) = 0x01ff;
  //*(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1) = 0x02ff;
  *(uint16_t*)&c = 0x03ff;
  *(uint16_t*)&d = 0x04ff;
  printf("global var addr: %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d);
  //printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2), *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1), a, b, c, d);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2), *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 0), a, b, c, d);


  printf("the memory region:
");
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)((uint8_t*)&a + i));
  }
  printf("
");

  while (1)
  {


  }
}

圖6

3.四字節(jié)數(shù)據(jù)類型： 全局變量的首地址自動按4字節(jié)對齊，緊挨著、地址遞增排列，不可以進行非對齊訪問 （無論進行非對齊的讀還是寫都會導致死機） 。 驗證代碼的執(zhí)行結(jié)果如圖7，可以通過解開屏蔽的代碼來驗證首地址對齊規(guī)則和非對齊訪問規(guī)則

//uint8_t padding;
uint32_t a, b;
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART2_UART_Init(230400);

    int i = 0;
  //*(uint32_t*)((uint8_t*)&a+1) = 0x01020304;
  *(uint32_t*)((uint8_t*)&a) = 0x01020304;
  *(uint32_t*)&b = 0x05060708;
  printf("global var addr: %p %p
", &a, &b);
  printf("global var value: %08x %08x
", a, b);


  printf("the memory region:
");
  uint8_t* p = (uint8_t*)((uint32_t)&a - ((uint32_t)&a) % 4);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p + i));
  }
  printf("
");

圖7

三、32位的cm3內(nèi)核，stm32f103單片機，裸機編程

1.單字節(jié)數(shù)據(jù)類型：全局變量緊挨著，和windows平臺不一樣， cm3內(nèi)核平臺在這里按地址遞增排列 ，可以在任意地址訪問，當然了單字節(jié)壓根不存在非對齊訪問的問題。另外 和cm0內(nèi)核不一樣的是，cm3的編譯嚴格要求變量聲明在局部作用域的最前面 ，比如以下驗證代碼我將指針p的聲明放到了最前面，否則編譯將無法通過，圖8為執(zhí)行結(jié)果

uint8_t a, b, c, d, e, f;
 int main(void)
{
    int i = 0;
   uint8_t* p = NULL;
   uart_init(115200);
  *(uint8_t*)&a = 0x01;
  *(uint8_t*)&b = 0x02;
  *(uint8_t*)&c = 0x03;
  *(uint8_t*)&d = 0x04;
  *(uint8_t*)&e = 0x05;
  *(uint8_t*)&f = 0x06;
  printf("global var addr: %p %p %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d, &e, &f);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", a, b, c, d, e, f);
  printf("the memory region:
");
  p = (uint8_t*)((uint32_t)&a - ((uint32_t)&a) % 4);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p + i));
  }
  printf("
");

  while (1)
  {
  }
 }

圖8

2.兩字節(jié)數(shù)據(jù)類型：全局變量的首地址自動按2字節(jié)對齊，因此沒有挨著排列（2個padding字節(jié)） ，并且地址是從低到高的 ，可以進行非對齊訪問。 以下試驗代碼的執(zhí)行結(jié)果如圖9

uint8_t padding;
uint16_t a, b, c, d;
 int main(void)
{
   int i = 0;
   uart_init(115200);
  *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2) = 0x01ff;
  *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1) = 0x02ff;
  //*(uint16_t*)&c = 0x03ff;
  *(uint16_t*)&d = 0x04ff;
  printf("global var addr: %p %p %p %p
", &a, &b, &c, &d);
  printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2), *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 1), a, b, c, d);
  //printf("global var value: %x %x %x %x %x %x
", *(uint16_t*)((uint8_t*)&a + 2), *(uint16_t*)((uint8_t*)&b + 0), a, b, c, d);


  printf("the memory region:
");
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)((uint8_t*)&a + i));
  }
  printf("
");

  while (1)
  {


  }
 }

圖9

3.四字節(jié)數(shù)據(jù)類型： 全局變量的首地址自動按4字節(jié)對齊，緊挨著、地址遞增排列，可以進行非對齊訪問。 如下驗證代碼的執(zhí)行結(jié)果如圖10

uint8_t padding;
uint32_t a, b;
 int main(void)
{
   int i = 0;
   uint8_t* p = NULL;
   uart_init(115200);
  *(uint32_t*)((uint8_t*)&a+1) = 0x01020304;
  //*(uint32_t*)((uint8_t*)&a) = 0x01020304;
  *(uint32_t*)&b = 0x05060708;
  printf("global var addr: %p %p
", &a, &b);
  printf("global var value: %08x %08x
", a, b);


  printf("the memory region:
");
  p = (uint8_t*)((uint32_t)&a - ((uint32_t)&a) % 4);
  printf("global var addr: %p
", p);
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    if (i % 4 == 0)
    {
      printf("
");
    }
    printf("0x%02x ", *(uint8_t*)(p + i));
  }
  printf("
");
  while (1)
  {


  }
 }

圖10