未对齐访问会导致ARM Cortex-M4出错

Posted 2021-04-15

我有一个对象，其地址不是4字节对齐的。当存在STR指令保存2个寄存器时，这会在cpu中导致HardFault错误。

这是生成的代码：

   00000000 <_ZN8BaseAreaC1EPcmm>:
   0:   b510            push    {r4, lr}
   2:   4604            mov     r4, r0
   4:   6042            str     r2, [r0, #4]
   6:   e9c4 3102       strd    r3, r1, [r4, #8]
   a:   2001            movs    r0, #1
   c:   7420            strb    r0, [r4, #16]
   e:   b921            cbnz    r1, 1a <_ZN8BaseAreaC1EPcmm+0x1a>

这些是在“4：6042 ......”行的寄存器

R0   08738B82  R8          0  
R1   08738BAE  R9          0  
R2          0  R10  082723E0  
R3       2FCC  R11         0  
R4   08738B82  R12         0  
R5   20007630  R13  2000CB38  

如图所示，STR指令的目标寄存器未在4字节上对齐。指令STR r2, [r0, #4]执行正常。但它在下一个STRD r3, r1, [r4, #8] HardFaults。如果我手动将寄存器R4更改为08738B80，则不会发生严重故障。

这是生成上述asm的C ++代码：

BaseArea::BaseArea(char * const pAddress, unsigned long startOffset, unsigned long endOffset) : 
m_pAddress(pAddress), m_start(startOffset), m_end(endOffset), m_eAreaType(BASE_AREA) {

m_start是该类中的第一个变量，与this (08738B82)具有相同的地址，m_end在0x08738B86之后。

如何在4字节上对齐对象？任何人都有其他解决方案吗？

答案

在基于ARM的系统上，您经常无法处理未与4字节边界对齐的32位字（正如您的错误告诉您的那样）。在x86上，您可以访问非对齐数据，但性能会受到很大影响。在ARM部分支持未对齐访问（例如单字正常负载）的情况下，存在性能损失，并且应该存在可配置的异常陷阱。

ARM（here），TLDR上的边界错误示例：存储指向unsigned char的指针，然后尝试将其转换为double *（双指针）。

要解决您的问题，您需要请求一个4字节对齐的内存块并复制非对齐字节+用垃圾字节填充它以确保它是4字节对齐的（因此手动执行数据结构对齐）。然后，您可以将该对象从其新地址解释为4字节对齐。

来自TurboJ的评论中，显式错误：

默认情况下，Cortex-M3和M4允许未对齐访问。但是他们不允许使用STRD指令进行无法访问，因此就是错误。

您可能还会发现查看this以强制ARM上的数据结构对齐很有帮助。

另一答案

以下情况至少适用于ARM体系结构（在cortex M0上验证）：

使用加载和存储指令时，我们访问的内存必须能够被我们尝试从内存访问/到内存的字节数整除，否则我们将获得硬故障异常。

例如：

LDR r0, = 0x1001
LDR r1, [r0]

上面代码中的第二行将给出硬错误，因为它试图读取4个字节，但内存地址不能被4整除

如果我们将上面代码中的第二行更改为以下内容

LDRB r1, [r0]; //从地址加载1个字节

上面的行不会产生硬故障，因为我们试图访问1个字节（可以从任何内存位置访问1个字节）

另请注意以下示例;

LDR r0,= 0x1002
LDRH r1,[r0];   //Load half word from 0x1002

上述行不会产生硬故障，因为内存访问是2个字节，地址可以被2整除。