[轉]MIPS 下非對齊訪問的問題

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1.問題

　　MIPS 下使用訪存指令讀取或寫入資料單元時，目標地址必須是所訪問之資料單元位元組數的整數倍，這個叫做地址對齊。

比如在 MIPS 平台上，lh 讀取一個半字時，儲存空間的地址必須是 2 的整數倍； lw 讀取一個字時，儲存空間的地址必須是 4的整數倍； sd 寫入一個雙字時，儲存空間的地址必須是 8 的整數倍。倘若訪存時，目標地址不對齊，則會引起異常,典型的是系統提示“匯流排錯誤”後，直接殺死進程。

看一個測試程式（龍芯2E平台）：

#include <stdio.h>
#include <sys/sysmips.h>

unsigned short data[] = {
  0x1, 0x2, 0x3, 0x4,
  0x55aa, 0x66bb, 0x77cc, 0x0000,
};

inline void unaligned_access(unsigned short * const row)
{
  asm volatile
    (
        ".set mips3\n\t"
        ".set noreorder\n\t"

        //"lwr $10, 1(%1)\n\t"
        //"lwl $11, 4(%1)\n\t"
        //"or $10, $11\n\t"
        "ld $10, 2(%1)\n\t"     /* %1 is double word aligned, %1+2 is double word unaligned */
        "sd $10, %0\n\t"

        ".set reorder\n\t"
        ".set mips0\n\t"
        : "=m"(*(row))
        : "r"(row+4)
        : "$8", "$9", "$10"
    );
}

int main()
{
  printf("---------------------------------------------------------\n");
  printf(" Testing Godson2 unaligned access Instruction \n");
  printf("---------------------------------------------------------\n\n");

// sysmips(MIPS_FIXADE, 0);

  unaligned_access(data);

  printf("result is: 0x%04x %04x %04x %04x\n", data[3], data[2], data[1], data[0]);

}

程式運行後系統提示“非法指令”後退出。


CISC 下（如x86）訪存時，如果目標地址不對齊，CPU 不會陷入異常，因為其內部有處理非對齊訪問的微程式。


2. 解決

　　進階語言中一般不會遇到這種問題，編譯器常常會處理好資料類型的對齊。但萬一遇到、抑或在彙編裡遇到，避不開怎麼辦？

可以使用 MIPS 的指令集裡提供的 lwr/lwl, swr/srl, ldr/ldl, sdr/sdl 指令對。關於他們的原理可以用來簡單的示意一下（以ldr/ldl 為例，其他類似）：





　　解釋的是小端模式下的情況，大端模式的情況則相反：首先 ldl t0, 0(t1)，然後再 ldr t0, 7(t1)。

　　可以看到無論大端模式還是小端模式，非對齊訪問的解決都是將原來的一條指令（對齊訪問）完成的事分兩步完成，即首先取始地址 addr 到下一個對齊地址處的部分資料，置入寄存器右部（小端），（大端置入左部(高位)），然後取從該對齊地址到 addr + len - 1 處的部分資料（len 為資料單元長度，半字為2, 雙字為8），置入寄存器左部（小端）。

如小端機器上，始地址為 t1 = 0x1022，則：

ldr t0, 0(t1) 取 0x1022~0x1027 到 t0 的右部
ldl   t0, 7(t1) 取 0x1028~0x1029 到 t0 的左部

　　注意上述指令的尾碼 r(right), l(left) 都是相對寄存器而言，load 操作是把取到的部分資料，置入寄存器的 left 或者 right， store 操作是將寄存器中資料的 left 或者 right 部分，寫入目標地址而已。無論大端和小端寄存器的格式都是固定的，即右端為低位，左端為高位。任意第一條ldr/ldl/lwr/lwl/sdr/sdl/swr/swl 只能訪問記憶體的始地址到下一個對齊地址處。

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