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[STM32H7] 【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)

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发表于 2021-11-3 03:34:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
【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)。

12.png

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:
1234567.png

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

345.png

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:

125.png
124.png


输出结果:

12345.png



六、中断服务程序的栈对齐问题:

先来看两个图:
QQ截图20211102235533.png

124.png

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。

QQ截图20211103001354.png



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:

1345.png

MDK直接给你来个不对齐硬件异常:

QQ截图20211103023242.png



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。
we.png



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。

W.png

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次问题了​。



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 楼主| 发表于 2021-11-3 03:35:52 | 显示全部楼层
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发表于 2021-11-3 09:02:09 | 显示全部楼层
做个标记,干货,慢慢研究
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发表于 2021-11-3 09:07:47 | 显示全部楼层
这文章太硬,我得晚上回去了消化下。
代码不规范,亲人两行泪!
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发表于 2021-11-3 16:57:49 | 显示全部楼层
硬菜,收藏
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发表于 2021-11-4 10:36:34 | 显示全部楼层
好久没发这种干货技术贴了,非常有价值。
Ever tried. Ever failed. No matter. Try Again. Fail again. Fail better.
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发表于 2021-11-5 08:47:07 | 显示全部楼层
mark
试了,发现个有意思:
非4字节对齐的地址,
通过 结构体指针 来访问浮点数,就没问题.
通过 指向float的指针 来访问浮点数,就会fault
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 楼主| 发表于 2021-11-5 11:23:42 | 显示全部楼层
相安无sh 发表于 2021-11-5 08:47
mark
试了,发现个有意思:
非4字节对齐的地址,

方便的话,分享点代码测测
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发表于 2021-11-12 11:59:05 | 显示全部楼层
这两天研究PMU的用法,刚好遇到对齐的问题,学习了
另外问下,下面这个图是在哪个官方文档里的,我查H7的最新手册RM0433里咋没找到MPU的内容呢 2019111811214681.png
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 楼主| 发表于 2021-11-12 12:44:19 | 显示全部楼层
浪里个白条 发表于 2021-11-12 11:59
这两天研究PMU的用法,刚好遇到对齐的问题,学习了
另外问下,下面这个图是在哪个官方文档里的,我查H7的 ...

编程手册里面。
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发表于 2021-11-12 14:32:33 | 显示全部楼层
干货,那个ucos移植浮点的确是个问题
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发表于 2022-1-6 02:47:33 来自手机 | 显示全部楼层
以上问题基本都遇到过
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发表于 2022-1-22 10:43:09 | 显示全部楼层
结构体对齐规则
结构体对齐规则.png

结构体的整体大小必须可被本结构内的最宽类型整除,所以这个地方是8字节,

结构体的整体大小必须可被本结构内的最宽类型整除,所以这个地方是8字节,
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发表于 2022-1-23 10:01:24 | 显示全部楼层

这里我也是看懵了,停留了好几分钟去研究。
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发表于 2022-1-26 11:41:45 | 显示全部楼层

规则第三条应该能解释,20无法被8整除,因此需24字节
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发表于 2022-3-4 11:23:08 | 显示全部楼层

本来最后a只占一个字节,由于要满足整体大小要是最大成员(d)的整数倍,所以整体从17(4+4+8+1)变成24(4+4+8+8)

规则:
(1)、整体空间是占用空间最大的成员(的类型)所占字节数的整数倍。
(2)、数据对齐原则---内存按结构体成员的先后顺序排列,当排到该成员时,其前面已摆放的空间大小必须是该成员类型大小的整数倍,如果不够则补齐,依次向后类推。

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发表于 2022-8-2 11:05:43 | 显示全部楼层
关于RTOS对齐这章节,Freertos创建栈的时候会自动会向下做8字节对齐,这样就能保证PSP是8字节对齐的。
        pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );       
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发表于 2022-8-3 22:01:22 | 显示全部楼层
感谢楼主,非常好的文章。
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发表于 前天 14:00 | 显示全部楼层
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用msvc编译器 显示也是24BYTES.硬汉哥真牛比
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