原创 ARM程序由于字节对齐引起的问题深入分析

      首先说说，什么叫对齐。如果一个数据是从偶地址开始的连续存储，那么它就是半字对齐，否则就是非半字对齐；半字对齐的特征是bit0=0,其他位为任意值。字对齐的特征是bit1=0,bit0=1,其他位为任意值。如果一个数据是以能被4 整除的地址开始的连续存储，那么它就是字对齐，否则就是非字对齐。举例说明四字节对齐： 对内存进行操作时，被访问的地址必须为4的倍数。如果分配到的地址的地址不是4的倍数时，CPU实际访问的地址还是按照字对齐的方式来操作。也就是自动屏蔽bit1和bit0.   

      用ADS的ARM C Complier下Optimization Level可能引起问题，其中的一个问题就是字节对齐的问题。下面讲讲问题的现象及实质。

       当时问题的现象是：程序使用一公共变量Buf创建队列，如果ADS编译优化选项采用Minium则软件工作正常；源码不变，如果采用ALL优化，则不正常，数据紊乱且无法工作。为了发现问题，我们分别用Minium和ALL编译，在反汇编条件下单步跟踪程序，观察CPU寄存器和内存变量的变化情况。发现在Minium模式下，编译器把队列内存块Uart0TxBuf分配到的地址是0x400015cc,这个地址是一个4字节对齐的地址，而在ALL模式下，编译器把Buf分配的地址是0x400015c2，这个地址是一个非4字节对齐的地址。正是由于这个非4字节对齐的地址导致了问题的发生。
问题发生在QueueCreate(void *Buf, uint32 SizeOfBuf, uint8 (* ReadEmpty)(), uint8 (* WriteFull)())这个函数里，问题是如何发生的，

        在了解问题发生的机理前，先了解QueueCreate这个函数的工作原理。QueueCreate工作原理是，首先把buf指向的内存初始化为DataQueue格式的结构体。  DataQueue的结构体格式如下：
typedef struct {
    QUEUE_DATA_TYPE     *Out;                   /* 指向数据输出位置         */
    QUEUE_DATA_TYPE     *In;                    /* 指向数据输入位置         */
    QUEUE_DATA_TYPE     *End;                   /* 指向Buf的结束位置        */
    uint16              NData;                  /* 队列中数据个数           */
    uint16              MaxData;                /* 队列中允许存储的数据个数 */
   
    uint8               (* ReadEmpty)();        /* 读空处理函数             */
    uint8               (* WriteFull)();        /* 写满处理函数             */
    QUEUE_DATA_TYPE     *Buf;                 /* 存储数据的空间           */
} DataQueue;
从结构体可以看出，结构体字节类型在内存分配为： 4字节指针变量（*Out）、4字节指针变量（*In）、4字节指针变量（*End）、2字节变量NData、2字节变量MaxData、4字节函数指针变量ReadEmpty（）、4字节函数指针变量（WriteFull（））
   观察结构体起始地址放在非对齐时会出现什么情况。

          起始地址为0x400015c2时的由编译器分配得到的地址         实际操作地址
*Out       0x400015c2~0x400015c5                                                0x40015c0~0x400015c3
*In         0x400014c6~0x400015c9                                                 x400014c4~0x400015c7
*End      0x400015ca~0x400015cd                                               0x400015c8~0x400015cb
从表中可以看出，实际操作的地址按照4字节对齐格式得到。例如，当执行*Out进行操作时，自动屏蔽bit1和bit0,因此实际发生变化的是0x40015c0~0x400015c3，而不是0x400015c2~0x400015c5，由于实际操作地址和编译器分配地址互相覆盖，当对*In操作时，会导致*Out一起变化，对*End操作时，*In也跟着变化。正是由于非对齐的原因导致创建队列和对列操作完全错误。
     当内存起始地址为4字节对齐地址的情况时，编译器分配地址和实际地址一致，因此不存在上述问题。

结 论：

          在ARM嵌入式系统中，当把一个内存区域初始化为某个结构体时，必须注意字节对齐的情况。如果该内存起始地址为非对齐地址，不仅得不到预期的结果，还可能导致一些很奇怪的让人无法理解表面问题。在C层面上不太容易观察到这些问题的实质，只有深入到汇编一层去分析程序，才可能理解这些现象的深层原因。