理解单词对齐

Question

我理解访问内存意味着什么是对齐但我不明白为什么这是必要的。例如，为什么我可以从地址0x…1访问单个字节，但我无法从同一地址访问半个字（两个字节）。

同样，我了解如果您有一个地址A和一个大小为s的对象，则A mod s = 0的访问权限会对齐。但我只是不明白为什么这在硬件层面很重要。

Answer 1

硬件很复杂;这是一个简化的解释。

典型的现代计算机可能具有32位数据总线。这意味着CPU需要执行的任何提取都将获取特定内存地址的所有32位。由于数据总线无法获取小于32位的任何数据，因此在地址总线上甚至不使用最低的两个地址位，因此就好像RAM被组织成一个32位字的序列而不是8位字节。

当CPU对单个字节进行读取时，总线上的读取周期将取32位，然后CPU将丢弃其中的24位，将剩余的8位加载到任何寄存器中。如果CPU想要获取32位边界上未对齐的32位值，则它有几种常规选择：

• 在总线上执行两个单独的读取周期，以加载数据字的相应部分并重新组装它们
• 读取通过丢弃地址的低两位确定的地址处的32位字
• 读取一些意外的字节组合，组合成一个32位字，可能不是你想要的那个
• 抛出异常

我使用的各种CPU已经采用了所有这四种路径。通常，为了最大限度地兼容，最安全的是将所有n位读取与n位边界对齐。但是，如果您确定您的软件将在具有已知未对齐读取行为的某个特定CPU系列上运行，则您当然可以使用快捷方式。即使可以进行未对齐的读取（例如在x86系列CPU上），它们也会变慢。

Answer 2

计算机总是读取一些固定大小的块，这些块是对齐的。

因此，如果您不将数据与内存对齐，则可能不得不多次阅读。

示例

• 字长为8字节
• 您的结构也是8个字节
• 如果您对齐它，则必须阅读一个块
• 如果你没有对齐它，你将不得不阅读两个块

所以，它基本上是为了加速。

Answer 3

所有对齐规则的原因是缓存行的各种宽度（指令缓存对Core2架构有16个字节行，而数据缓存有64个字节行L2的L1和128字节线。）

因此，如果要存储/加载穿过Cahce-Line Boundary的数据，则需要加载和存储两个Cache-line，这会影响性能。 所以你只是因为性能受到影响而不这样做，就这么简单。

Answer 4

尝试阅读串口。数据是8位宽。 不错的硬件设计人员确保它位于单词的最低位字节。

如果你的C结构中的元素没有字对齐（从向后兼容性或保存内存说） 那么结构中任何字节的地址都不是字对齐的。