【烧脑技术贴】无法回避的字节对齐问题，从八个方向深入探讨(变量对齐，栈对齐，DMA对齐，结构体成对齐，Cache, RTOS双堆栈等)

【本文为安富莱电子原创】

本期的知识点要稍微烧点脑细胞，因为字节对齐问题涉及到的地方太多，且无法规避，必须硬着头皮上。

下面要说的每个技术点，其实都可以专门开一个帖子说，所以我们这里的讨论，争取言简意赅，并配上官方文档和实验数据，力求有理有据。如果讲解有误的地方，欢迎大家指正，我们主要讨论M0，M0+,  M3，M4和M7内核。



一、引出问题：

字节对齐的含义：4字节对齐的含义就是变量地址对4求余数为0； 8字节对齐就是地址对8求余等于0，依次类推：

比如
uint32_t *p;
p=(uint32_t *)0x20000004; 这个地址是4字节对齐。

如果让p去访问0x20000001， 0x20000002，0x20000003这都是不对齐访问。



二、背景知识：

对于M3和M4而言，可以直接访问非对齐地址（注意芯片要在这个地址有对应的内存空间),  因为M3和M4是支持的，而M0/M0+/M1是不支持的，不支持内核芯片，只要非对齐访问就会触发硬件异常。

M7内核也支持非对齐访问，在M7的TRM中描述如下：

三、全局变量对齐问题：

基本上用户定义的变量是几个字节就是几字节对齐，这个比较好理解。

uint8_t定义变量地址要1字节对齐。
uint16_t定义变量地址要2字节对齐。
uint32_t定义变量地址要4字节对齐。
uint64_t定义变量地址要8字节对齐。

指针变量是4字节对齐。

四、结构体成员对齐问题：

首先明白一点，结构体里面的变量是什么类型，此变量的位置就是至少要几字节对齐，所以就存在结构体实际占用大小不是这些变量之和。

typedef struct
{
        uint8_t a;
        uint16_t b;
        uint32_t c;
        uint64_t d;        
}info;

这种定义，info占用了16字节，a单字节对齐，b是两字节对齐，而c要是4字节对齐，从出现b定义完毕后空出来1个字节未被使用。d是8字节对齐，这样就是16字节。而我们切换下变量定义顺序：
typedef struct
{
        uint16_t b;
        uint32_t c;
        uint64_t d;        
        uint8_t  a;
}info;

这种定义就要占用24字节，b占用2字节对齐，c需要4字节对齐，这样就空出来2两个字节未使用，d占用8字节，最后一个a占用了8字节。

如果想定义几个变量就几个字节，变量前面加前缀__packed即可。

不管是上面那种定义方式，都是占用15个字节。

__packed typedef struct
{
        uint8_t a;   1个
        uint16_t b; 2个
        uint32_t c; 4个
        uint64_t d; 8个        
}info;



五、局部变量对齐问题：

局部变量使用的是栈空间（除了静态局部变量和编译器优化不使用栈，直接用寄存器做变量空间），也就是大家使用在xxxx.S启动文件开辟的stack空间。

在M内核里面，局部变量的对齐问题如果研究起来是最烧脑的，这个涉及到AAPCS规约(Procedure Call Standard for the Arm Architecture,  Arm架构的程序调用标准)。

 

 

上面这个贴图最重要，仅需理解上面这两条就可以，意思是说，栈地址是全程至少保持4字节对齐的，因为M内核的硬件长做了处理，SP最低两个bit，bit0和bit1直接固定为0了。

但是在程序调用入口处必须满足8字节对齐，对于C语言，不需要用户去管，编译器都帮我们处理好了，先来个简单的示例压压惊：

 

而汇编文件是需要用户去处理的。以xxx.S启动文件为例，通过伪指令PRESERVE8来保证

 

那么问题来了，我们搞个4对齐是不是会出问题，一般情况下也没问题的，但特殊情况下不行，特别调用C库的sprintf和printf函数，直接给你输出个不知所以然的结果来。比如我在H7上做如下测试：

 

输出结果：

六、中断服务程序的栈对齐问题：

先来看两个图：

 

 

通过这两个图我们了解到：M0/M0+/M7的栈地址是固定8字节对齐，M3/M4的栈地址是对齐是可以通过SCB->CCR寄存器编程的为4字节或者8字节对齐。

比如我们设置的8字节对齐，那么中断发生的时候，如果SP指针位置在4字节对齐，那么硬件自动插入4字节来保证8字节对齐，之后就是硬件自动入栈的寄存器开始存入栈中。

另外就是不同的M内核硬件版本，这个地方略有不同，这个大家作为了解即可，早期的内核硬件版本应该没什么人用来做芯片了。

 

七、硬件浮点对齐问题

如果使用的是带FPU硬件浮点单元的M内核芯片就要注意对齐访问了，访问单精度浮点数访问一定要4字节对齐，双精度要8字节对齐。

比如我们使用支持单精度浮点的M4内核芯片，测试代码如下：

 

MDK直接给你来个不对齐硬件异常：

八、RTOS的任务栈：

RTOS的任务栈涉及到双栈指针问题，SP（R13寄存器）有两个栈指针，MSP主栈指针和PSP进程栈指针。简单的说，我们在中断服务程序里面都是用的MSP，而任务里面用的PSP。

优势是方便任务和中断栈空间分别管理，了解了这点知识就够了。

RTOS任务栈的关键依然是8字节对齐问题，如果仅仅是满足4字节对齐，就会出现我们前面printf和sprintf浮点数或者64bit数据的错误问题，早年各种RTOS移植案例还不是那么发达的时候（现在问题依旧），经常在这个地方入坑，加上硬件浮点寄存器入栈出栈后更是玩不转了。

比如大家搜索关键词 uCOS printf 或者uCOS 浮点数，一堆的问题，平时不用浮点不知道，一用浮点，各种问题就来了，特别是多任务都使用浮点计算，更是懵。

根本原因是底层移植文件的堆栈8字对齐有问题，很多人都是采用的指令__align(8)来设置堆栈对齐问题，其实修改底层port文件才是解决问题的根本。

为什么会造成这个问题，根本原因依然是前面AAPCS规约的要求，RTOS的移植都有个汇编的port文件，这个port文件的关键是实现任务切换，任务切换的关键就是进入任务前保证PSP是8字节对齐。

九、DMA对齐问题：

DMA对齐指的是源数据地址和目的数据对齐问题。这个问题最容易出错的地方就是网上倒腾SD卡移植FatFS的SDIO DMA方式。

大家网上搜关键词FatFS SDIO DMA，也是一瓢的问题，特别是BMP等格式图片显示的时候，这种问题就来了，因为很难保证每次的读取都是4字节对齐的。

以STM32F4的DMA为例，我们的底层移植无需再单独开一个缓冲做4字节对齐，本质是F4 DMA支持了源地址和目的地址的数据宽度可以不同，但是数据地址必须要跟其数据类型对齐。

比如使用SDIO DMA从SD卡读取数据，我们就可以设置源地址依然是4字节对齐(外设访问要4字节对齐)，而目的地址设置为字节对齐，就可以方便的解决4字节对齐问题。

 

其实不仅是通用的DMA，像图形加速DMA2D，SDMMC自带的IDMA等都有这种问题。



十、配置MPU造成的对齐问题：

这个问题主要是对于M7内核芯片来说，以STM32H7 TCM以外空间为例：AXI RAM（0x2400 0000），
SRAM1（0x3000 0000），
SRAM2（0x3002 0000），
SRAM3（0x3004 0000），
SRAM4（0x3800 0000），
SDRAM等做非对齐访问都会有硬件异常，而开启Cache就不会有问题。

这个问题的关键就是M7的TRM中这句话：

意思是，如果用户使用MPU将H7的AXI总线下的内存空间配置为Device 或者 Strongly-ordered模式，用户采用非对齐方式访问，将会触发UsageFault

 

 

实际测序下，果然会触发这个异常

 

配置内存空间的MPU属性为Device 和 Strongly-ordered以外的属性就可以解决此问题了。