algorithm - 理解单词对齐

Question

我理解访问内存以使其对齐意味着什么，但我不明白为什么这是必要的。例如，为什么我可以从一个地址访问一个字节，0x…1但我不能从同一个地址访问一个半字（两个字节）。

同样，我明白，如果您有一个地址A和一个大小对象s，则访问是对齐的 if A mod s = 0。但我只是不明白为什么这在硬件层面很重要。

Answer 1

硬件复杂；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 需要执行的任何获取操作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 位的任何内容，因此地址总线上甚至不使用最低两个地址位，因此就好像 RAM 被组织成一个 32 位字序列而不是 8 位字节.

当 CPU 读取单个字节时，总线上的读取周期将获取 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 想要获取未在 32 位边界上对齐的 32 位值，它有几个通用选择：

• 在总线上执行两个单独的读取周期以加载数据字的适当部分并重新组合它们
• 在通过丢弃地址的低两位确定的地址处读取 32 位字
• 读取组装成 32 位字的一些意想不到的字节组合，可能不是您想要的
• 抛出异常

我使用过的各种 CPU 都采用了所有这四种路径。通常，为了获得最大的兼容性，将所有 n 位读取对​​齐到 n 位边界是最安全的。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特定 CPU 系列上运行，您当然可以走捷径。即使可以进行非对齐读取（例如在 x86 系列 CPU 上），它们也会变慢。

Answer 2

计算机总是读入一些对齐的固定大小的块。

所以，如果你没有在内存中对齐你的数据，你可能不得不阅读不止一次。

例子

• 字长为 8 个字节
• 你的结构也是8个字节
• 如果你对齐它，你将不得不阅读一大块
• 如果不对齐，则必须读取两个块

所以，基本上是为了加快速度。

Answer 3

所有对齐规则的原因是缓存线的不同宽度（指令缓存确实有 16 字节线用于 Core2 架构，数据缓存确实有 64 字节线用于 L1 和 128 字节线用于 L2）。

因此，如果要存储/加载跨越 Cahce 线边界的数据，则需要加载和存储两条缓存线，这会影响性能。因此，您只是因为性能受到影响而不要这样做，就这么简单。

Answer 4

尝试读取串行端口。数据为 8 位宽。优秀的硬件设计师确保它位于单词的最低有效字节上。

如果你有一个 C 结构的元素不是字对齐的（从向后兼容性或内存保护说），那么结构中任何字节的地址都不是字对齐的。