arm處理器下的對齊異常1 簡介

什麼是對齊異常呢，為什麼arm處理器下會有對齊異常？這個要先從arm 32位處理器下的兩條指令ldr與str說起。作為a32指令集的兩條最基本指令，str/ldr 可以用於暫存器與記憶體之間的資料交換，ldr是將記憶體中的數載入到暫存器，str是將暫存器中的數載入記憶體。a32下ldr與str一次操作4個位元組，例如如下匯程式設計序：

ldr     r1, 0xe0000000

該指令將0xe0000000位址的內容（4個位元組）載入到r1暫存器，這個0xe0000000位址顯然是4的倍數，也就是對齊的，當這個位址為0xe0000001/0xe0000002/0xe0000003時，就是非對齊的。在arm 32位處理器下，某些指令對記憶體位址進行非對齊的訪問，就會觸發對齊異常，比如vldr/vstr、ldrd/strd、vldm/vstrm、ldm/stm指令等，在arm64位處理器下，除了執行同樣32位的非對齊指令外，也有些指令會觸發對齊異常，比如device mem下的ldr/str相關指令。

該系列部落格會選用多個arm架構下處理器平台進行對齊異常的驗證、分析，並**出對應異常處理的解決方案，以下是示例平台：

arm32平台

imx6quad處理器：cortex-a9，4核，1.2ghz，執行32位linux系統，核心版本位3.14

樹莓派4-bcm2411處理器：cortex-a72，4核，1.5ghz，執行32位linux系統，核心版本為4.19

arm64平台

某國產處理器：armv8相容架構，4核，1.5ghz，執行64位linux系統，核心版本為4.4

…下面先用vldr指令對齊異常做個舉例介紹，通過執行資訊及核心日誌，對異常有個初步的認識。

首先是一段異常簡單的**，這段**中定義了乙個浮點指標，然後更改了它的位址為乙個未對齊的位址，給它賦值然後列印出來。

#include void main()
; float *flap = (float *)(buff+1);
*flap = 0.12345;
printf("float addr is %p\n", flap);
printf("float at &buff[1] is %f\n", *flap);
}

接下來編譯，並執行。

imx6下：

樹莓派下：

arm64下：

從上一節看出，只有arm64平台下面vldr程式可以正常執行。從應用程式列印資訊看，在arm32平台下，由於是32位定址空間，flap指標的位址，分別對應為0x7edf79e1和0xbee0b541，在arm64平台下，flap指標的位址為0x7fdc5b8c61（超過32位）。在執行程式出現異常後，通過dmesg命令查得異常資訊如下。

imx6:

root@imx6q-sbc:~/alignment# dmesg | tail
...[ 4594.164653] alignment trap: not handling instruction edd37a00 at [<00010410>]
[ 4594.170503] unhandled fault: alignment exception (0x011) at 0x7edf79e1

樹莓派：

pi@raspberrypi:~/alignment $ dmesg | tail
...[ 9688.413139] alignment trap: not handling instruction edd37a00 at [<0001045c>]
[ 9688.413155] unhandled fault: alignment exception (0x221) at 0xbee0b541
[ 9688.413177] pgd = 36a06f3e
[ 9688.413193] [bee0b541] *pgd=19bd2003, *pmd=7fd3c003

從核心日誌中可以看出，在0x7edf79e1位址與0xbee0b541分別產生了對齊異常，異常指令均為edd37a00 。然而，同樣的程式，arm64平台並沒有產生異常，接下來對比與arm32平台下的指令差異。

首先，用objdump工具對vldr程式進行反彙編，然後用compare工具對arm32平台（樹莓派）和arm64平台下彙編**進行對比分析。

可以看出，arm32平台下，用了vldr s15, [r3]指令，。其中s15為arm架構處理器下浮點暫存器，vldr指令為將r3暫存器中對應位址儲存的資料取出，放到浮點暫存器s15中。根據上面程式分析，r3暫存器儲存的位址為0xbee0b541，通過vldr指令取該位址的資料時，因為位址未對齊，產生了異常。

而在arm64平台下，因為編譯器的不同，編譯生成的是用ldr s0, [x0]指令，則沒有這個問題。假如在arm64平台下，執行同樣的非對齊vldr指令，是否會產生異常呢？實測是跟arm32情況一致，同樣產生異常。如下圖所示，用32位編譯器編譯同樣**後，在arm64平台下執行，同樣報bus error。

對應dmesg資訊如下。

root@armv8:~/alignment# dmesg | tail
...[ 6594.336469] unhandled fault: alignment fault (0x92000021) at 0x00000000ffc50e81

文章中如有錯誤，請指正。

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