CPU和数据对齐

Question

请原谅我，如果您觉得这个问题已经回答了无数次，但我需要回答以下问题！

1. 为什么数据必须对齐(2字节/4字节/8字节边界)？我怀疑CPU何时有地址线Ax Ax-1 Ax-2 .因此，A2 A1 A0很有可能顺序地处理内存位置。那么，为什么需要在特定的边界对齐数据呢？
2. 如何在编译代码和生成可执行文件时找到对齐需求？
3. 例如，如果数据对齐为4字节边界，这是否意味着每个连续字节位于模4偏移处？我怀疑如果数据是4字节对齐的，这是否意味着如果一个字节是1004，那么下一个字节是1008 (或者1005)？

Answer 1

CPU是面向单词的，而不是面向字节的。在简单的CPU中，内存通常被配置为每个地址选通返回一个字(32位、64位等)，其中下两个(或更多)地址行通常不关心位。

Intel CPU可以对许多指令在非字赏金上执行访问，但是由于CPU内部执行两个内存访问和一个数学操作来加载一个字，因此会造成性能损失。如果您正在进行字节读取，则不应用对齐。

一些CPU (ARM或Intel SSE指令)需要对齐内存，在进行非对齐访问(或抛出异常)时具有未定义的操作。它们没有实现更为复杂的负载/存储子系统，从而节省了大量的硅空间。

对齐取决于CPU字大小(16、32、64位)或SSE的SSE寄存器大小(128位)。

对于最后一个问题，如果您一次加载一个数据字节，那么大多数CPU上没有对齐限制(有些DSP没有字节级指令，但很可能不会遇到一个)。

Answer 2

很少有数据“必须”对齐。更多的是，某些类型的数据可能执行得更好，或者某些cpu操作需要某种数据对齐。

首先，假设一次读取4个字节的数据。我们还可以说，您的CPU有32位数据总线。我们还假设您的数据存储在系统内存中的字节2。

现在，由于您可以一次加载4个字节的数据，让您的地址寄存器指向一个字节没有多大意义。通过使您的地址寄存器指向每4个字节，您可以操作4倍的数据。换句话说，您的CPU可能只能读取以字节0、4、8、12、16等字节开始的数据。

这就是问题所在。如果您希望数据从字节2开始，并且正在读取4个字节，那么一半的数据将位于地址位置0，另一半位于位置1。

因此，基本上，您将以两次命中内存来读取一个4字节的数据元素。有些CPU不支持这种操作(或者强迫您手动加载和组合这两个结果)。

有关更多详细信息，请访问此处：对齐

Answer 3

一般来说，所有这三个问题的答案都是“这取决于你的系统”。更多细节：

1. 您的内存系统可能不是字节可寻址的。此外，让处理器访问未对齐的数据可能会导致性能损失。有些处理器(比如旧的ARM芯片)根本做不到。
2. 阅读您的处理器的手册和您的代码生成的任何ABI规范，
3. 通常，当人们提到数据处于某种对齐状态时，它仅指第一个字节。所以，如果ABI规范说“数据结构X必须是4字节对齐的”，那就意味着X应该放在一个可以被4整除的地址上。 就您的具体示例而言，如果数据是从地址1004开始的4字节对齐，那么下一个字节将是1005。