Memory 为什么CPU访问对齐内存

互联网上的好人

在过去的几天里，我一直在读CPU是如何访问内存的，如果被访问的对象分布在CPU访问的不同块上，那么访问内存的速度会比预期的慢

在一个非常广义和抽象的词中，如果我，比方说，有一个从0x0到0xF的地址空间，一个单元是一个字节，CPU以4字节的块读取内存（也就是说，有一个四字节的内存访问粒度），那么，如果我需要读取一个位于单元0x0-0x3中的4字节大小的对象，CPU将在一次操作中完成，而如果同一个对象占用单元0x1-0x4，则CPU需要执行两个读取操作（先读取0x0-0x3中的内存，然后读取0x4-0x7中的内存），移动字节并合并两个部分（如果无法进行未对齐访问，则中断）。这种情况再次发生，因为CPU可以读取4字节块的内存（在我们的抽象示例中）。我们还假设，CPU在一条缓存线内进行这些读取，并且不需要在读取之间更改缓存的内容

因此，在这种情况下，CPU可以读取的每个块的开头都位于一个内存单元中，该单元的地址是4的倍数（对吗？）。好的，我对CPU为什么以块的形式读取没有任何疑问，但是

为什么每个块的开头都是这样对齐的？

如果参考上一段中的示例，

为什么CPU不能读取从0x1开始的4字节块？

正如我所理解的，CPU非常清楚0x1的存在。那么，所有的模糊都是因为内存控制器无法访问从0x1开始的内存块而发生的吗？或者是因为在某些体系结构上保留了处理器字中的几个LSB？或者，它们被保留的事实是一致访问的结果，而不是其原因（这似乎已经是第二个问题了，但我会留下它，因为在我写这个问题时，我感觉它们是相关的）

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这里有很多关于这个主题的答案（比如和）和在线文章（比如和），但是在所有的资源中都有关于现象本身及其后果的很好的解释，但是没有解释为什么CPU不能读取从字节边界“中间”开始的内存块（或者我可能看不到）.

考虑一个简单的CPU。它有32个RAM芯片。每个芯片提供一位内存。CPU产生一个地址，将其传递给32个RAM芯片，然后返回32位。第一个RAM芯片保存字节0、4、8、12、16等的位0。第二个RAM芯片保存字节0、4、8、12、16等的位1。第九个RAM芯片保存字节1、5、9、13、17等的位0

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因此，您可以看到，它们之间的32个RAM芯片可以产生字节0到3的0到7位，或字节4到7，或字节8到11等。它们无法产生字节1到4。

这一切取决于处理器的设计。有些，特别是x86，可以很好地进行非对齐访问，但速度会慢一些。@MarkRansom感谢您的评论！正如我所理解的，在这种情况下，可能会有两个（或更多）对齐的访问来覆盖所需的内存，而不是一个未对齐的访问本身。对吗？是的，这是正确的-这就是为什么我说它会慢一些，因为需要两次实际访问。谢谢你的回答。我从你的话中了解到，内存硬件本身的一个固有特性是，它只能提供从特定地址开始的数据，而不是CPU无法请求从特定地址开始的内存。换句话说，一般来说，CPU可以请求从1到4的字节，但内存控制器会像“不，我可以给你0-3和4-7”。对吗？