本文將首先解釋內(nèi)存訪問粒度概念，以便可以了解處理器如何訪問內(nèi)存。然后，將進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)對(duì)齊的概念，并研究一些示例結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局。在之前關(guān)于嵌入式C中結(jié)構(gòu)的文章中，了解到重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序可以改變存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)所需的內(nèi)存量。還將看到編譯器在為結(jié)構(gòu)成員分配內(nèi)存時(shí)具有某些約束。這些約束被稱為數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，允許處理器以可能出現(xiàn)在存儲(chǔ)器布局中的一些浪費(fèi)空間（稱為“填充”）為代價(jià)來(lái)更有效地訪問變量。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存系統(tǒng)可能比這里介紹的要復(fù)雜得多。本文的目標(biāo)是討論在編寫嵌入式系統(tǒng)時(shí)可能有用的一些基本概念。

內(nèi)存訪問粒度

我們通常將內(nèi)存設(shè)想為單字節(jié)存儲(chǔ)位置的集合，如圖1所示。每個(gè)位置都有一個(gè)唯一的地址，允許我們?cè)L問該地址的數(shù)據(jù)。

圖1

但是，處理器通常以大于一個(gè)字節(jié)的塊形式訪問內(nèi)存。例如，處理器可以以四字節(jié)塊的形式訪問內(nèi)存。在這種情況下，我們可以設(shè)想圖1中的12個(gè)連續(xù)字節(jié)，如下面的圖2所示。

圖2

你可能想知道這兩種處理內(nèi)存的方式之間有什么區(qū)別。使用圖1，處理器一次讀取一個(gè)字節(jié)并向內(nèi)存寫入。請(qǐng)注意，在讀取內(nèi)存位置或?qū)懭雰?nèi)存之前，我們需要訪問該內(nèi)存單元，并且每次內(nèi)存訪問都需要一些時(shí)間。假設(shè)我們想要讀取圖1中存儲(chǔ)器的前八個(gè)字節(jié)。對(duì)于每個(gè)字節(jié)，處理器需要訪問內(nèi)存并讀取它。因此，為了讀取前八個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，處理器將必須訪問內(nèi)存八次。

在圖2中，處理器一次讀取4個(gè)字節(jié)并將其寫入內(nèi)存。因此，為了讀取前四個(gè)字節(jié)，處理器訪問存儲(chǔ)器的地址0并讀取四個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)位置（地址0到3）。同樣，要讀取下一個(gè)四字節(jié)塊，處理器需要再次訪問內(nèi)存。它轉(zhuǎn)到地址4并同時(shí)從地址4到7讀取存儲(chǔ)位置。對(duì)于字節(jié)大小的塊，需要8次內(nèi)存訪問來(lái)讀取連續(xù)8個(gè)字節(jié)的內(nèi)存。但是，使用圖2，只需要兩次內(nèi)存訪問。如上所述，每次內(nèi)存訪問都需要一些時(shí)間。由于圖2中所示的存儲(chǔ)器配置減少了訪問次數(shù)，因此可以提高處理效率。處理器在訪問內(nèi)存時(shí)使用的數(shù)據(jù)大小稱為內(nèi)存訪問粒度。圖2描繪了具有四字節(jié)存儲(chǔ)器訪問粒度的系統(tǒng)。

內(nèi)存訪問邊界

硬件設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用另一種重要技術(shù)來(lái)提高處理系統(tǒng)的效率：它們限制處理器，使其只能在某些邊界訪問內(nèi)存。例如，處理器可能僅能夠在四字節(jié)邊界上訪問圖2的內(nèi)存，如圖3中的紅色箭頭所示。

圖3

這種邊界限制會(huì)使系統(tǒng)顯著提高效率嗎？仔細(xì)看看。假設(shè)我們需要讀取地址為3和4的內(nèi)存位置的內(nèi)容（由圖3中的綠色和藍(lán)色矩形表示）。如果處理器可以從任意地址開始讀取一個(gè)四字節(jié)的塊，那么我們可以訪問地址3并通過(guò)單個(gè)內(nèi)存訪問讀取兩個(gè)所需的內(nèi)存位置。但是，如上所述，處理器不能直接訪問任意地址；相反，它只在某些邊界訪問內(nèi)存。那么如果處理器只能訪問四字節(jié)邊界，它將如何讀取地址3和4的內(nèi)容？

由于內(nèi)存訪問邊界限制，處理器必須訪問地址為0的內(nèi)存位置并讀取連續(xù)的四個(gè)字節(jié)（地址0到3）。接下來(lái)，它必須使用移位操作將地址3的內(nèi)容與其他三個(gè)字節(jié)（地址0到2）分開。類似地，處理器可以訪問地址4并從地址4到7讀取另一個(gè)四字節(jié)塊。最后，可以使用移位操作將所需字節(jié)（藍(lán)色矩形）與其他三個(gè)字節(jié)分開。

如果沒有內(nèi)存訪問邊界限制，可以用一個(gè)內(nèi)存訪問讀取地址3和地址4。但是，邊界限制迫使處理器兩次訪問存儲(chǔ)器。那么，如果數(shù)據(jù)操作變得更加困難，為什么需要限制對(duì)某些邊界的內(nèi)存訪問呢？?jī)?nèi)存訪問邊界存在限制，因?yàn)閷?duì)地址進(jìn)行某些假設(shè)可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。例如，假設(shè)一個(gè)內(nèi)存塊中的所有字節(jié)都需要32位來(lái)尋址。如果將地址限制為四字節(jié)邊界，那么32位地址中的兩個(gè)最低有效位將始終為零（因?yàn)榈刂肥冀K可以被4整除）。因此，我們可以使用30位來(lái)尋址一個(gè)232字節(jié)的內(nèi)存。

數(shù)據(jù)對(duì)齊

既然已經(jīng)知道基本處理器如何訪問內(nèi)存，那么下面就可以可以討論數(shù)據(jù)對(duì)齊要求。通常，任何K字節(jié)C數(shù)據(jù)類型必須具有K的倍數(shù)的地址。例如，四字節(jié)數(shù)據(jù)類型只能存儲(chǔ)在地址0，4，8，中;它不能存儲(chǔ)在地址1，2，3，5。這些限制簡(jiǎn)化了處理器和內(nèi)存系統(tǒng)之間的接口硬件的設(shè)計(jì)。

例如，考慮一個(gè)具有四字節(jié)內(nèi)存訪問粒度的處理器，它只能以四字節(jié)邊界訪問內(nèi)存。假設(shè)一個(gè)四字節(jié)變量存儲(chǔ)在地址1，如圖4所示（四個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)四種不同的顏色）。在這種情況下，我們需要兩次內(nèi)存訪問和一些額外的工作來(lái)讀取未對(duì)齊的四字節(jié)數(shù)據(jù)（“未對(duì)齊”指它被分成兩個(gè)四字節(jié)塊）。該過(guò)程如圖所示。

圖4

但是，如果將一個(gè)四字節(jié)變量存儲(chǔ)在4的倍數(shù)的任何地址，只需要一個(gè)內(nèi)存訪問來(lái)修改數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)。所以將K字節(jié)數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)在K的倍數(shù)的地址可以提高系統(tǒng)的效率。因此，C語(yǔ)言“char”變量（只需要一個(gè)字節(jié)）可以存儲(chǔ)在任何字節(jié)地址，但是一個(gè)雙字節(jié)變量必須存儲(chǔ)在偶數(shù)地址中。四字節(jié)類型必須從可被4整除的地址開始，并且八字節(jié)數(shù)據(jù)類型必須存儲(chǔ)在可被8整除的地址。例如，假設(shè)在特定機(jī)器上，“short”變量需要兩個(gè)字節(jié)，“int”和“float”類型占用四個(gè)字節(jié)，“l(fā)ong”、“double”指針占用八個(gè)字節(jié)。這些數(shù)據(jù)類型中的每一種通常應(yīng)具有K的倍數(shù)的地址，其中K由下表給出。

請(qǐng)注意，不同數(shù)據(jù)類型的大小可能因編譯器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不同而不同。sizeof（）運(yùn)算符是查找數(shù)據(jù)類型實(shí)際大小的最佳方法。
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