Unaligned Memory Access

Introduction

Zephyr 코드를 살펴보던 중 다음 코드를 만났습니다:

#define UNALIGNED_GET(p)                  \
__extension__ ({                          \
    struct  __attribute__((__packed__)) { \
        __typeof__(*(p)) __v;             \
    } *__p = (__typeof__(__p)) (p);       \
    __p->__v;                             \
})

위 코드를 분해하면서, 메모리 주소가 접근 크기로 정렬되어 있지 않은 경우 어떻게 처리해야 하는지 알아보겠습니다.

Unaligned Memory access 란

Instruction Set Architecture (ISA) 는 프로세서가 이해할 수 있는 명령어 집합을 정의하고 있습니다. 그중에는 바이트 단위로 메모리에 접근할 수 있는 명령어, 워드 단위로 접근할 수 있는 명령어, 하프워드halfword 단위로 접근할 수 있는 명령어 등이 있습니다. 메모리 접근에도 여러 명령이 있는 것처럼 메모리 접근은 여러 단위의 크기로 일어날 수 있습니다.

위와 같은 메모리에 0번지를 워드 단위로 접근하면, 프로세서는 0 ~ 3 번지의 데이터를 읽어오게 됩니다. 하프워드의 경우 0 ~ 1 번지, 바이트일 경우 0 번지 만을 읽게 됩니다.

워드의 크기는 통상 시스템 버스 크기와 일치합니다. 16 비트 시스템에서 워드의 크기는 16 비트이고, 32 비트 시스템에서는 32 비트, 64 비트 시스템에서는 64 비트입니다. 여기에서는 32 비트 시스템을 가정합니다.

시스템 버스 크기와 동일한 메모리 크기 단위로 메모리 접근을 수행할 때 프로세서 클럭 사이클당 데이터 처리율이 가장 높습니다.

메모리는 0 번지부터 시작하고, 위 예시처럼 메모리 번지가 데이터 타입 크기 단위로 딱 떨어질 때 정렬되어 있다 라고 합니다. 만약 1 번지를 워드, 하프워드, 바이트 단위로 읽게 된다면 바이트 단위 접근만 정렬되어 있는 겁니다(\(1\bmod1=0\)). 2 번지를 읽게 된다면, 하프워드와 바이트 단위 접근이 정렬되어 있는 거고요(\(2\bmod1=0\), \(2\bmod2=0\)). 3 번지는 바이트 단위만, 4 번지는 워드, 하프워드, 바이트 모두에서 정렬되어 있습니다.

즉, \(주소\bmod 타입크기 = 0\) 이면 정렬되어 있다고 볼 수 있습니다.

따라서 위 메모리 번지로의 접근은 아래와 같이 정리됩니다:

시스템에 따라 정렬되지 않은 메모리 접근은 허용되거나 fault 를 유발합니다. Fault 를 발생시키지 않더라도 정렬된 메모리 접근이 항상 같거나 더 나은 성능을 제공합니다.

왜 문제가 되나

그래서 정렬되지 않은 메모리 접근이 왜 문제가 될까요?

C 표준

C17 표준 66쪽의 6.2.8.1 과 74쪽의 6.3.2.3.7 을 읽어보면:

Complete object types have alignment requirements which place restrictions on the addresses at which objects of that type may be allocated. An alignment is an implementation-defined integer value representing the number of bytes between successive addresses at which a given object can be allocated. An object type imposes an alignment requirement on every object of that type: stricter alignment can be requested using the _Alignas keyword.

완전한 오브젝트 타입은 해당 타입의 오브젝트가 할당될 수 있는 주소에 제한을 두는 정렬 요구 사항이 있습니다. 정렬은 주어진 오브젝트가 할당될 수 있는 연속적인 주소 사이의 바이트 수를 나타내는 정수 값입니다. 오브젝트 타입은 해당 타입의 모든 오브젝트에 정렬 요구 사항을 부과합니다. _Alignas 키워드를 사용하여 더 엄격한 정렬을 요청할 수 있습니다.

A pointer to an object type may be converted to a pointer to a different object type. If the resulting pointer is not correctly aligned for the referenced type, the behavior is undefined. Otherwise, when converted back again, the result shall compare equal to the original pointer. When a pointer to an object is converted to a pointer to a character type, the result points to the lowest addressed byte of the object. Successive increments of the result, up to the size of the object, yield pointers to the remaining bytes of the object.

포인터는 원래의 오브젝트 타입과 다른 타입의 포인터로 변환될 수 있습니다. 다른 타입으로 변환한 포인터로 메모리 접근할 때 메모리가 변환된 타입에 맞게 정렬되어 있지 않은 경우 동작은 정의되어 있지 않습니다. 그렇지 않은 경우, 원래 오브젝트 타입으로 다시 변환할 때 기존 포인터와 동일한 주소인지 비교해야 합니다. 문자형 타입으로 변환할 경우 기존 오브젝트의 최하위 주소를 가리킵니다.

C 표준에서는 complete object type 에 대한 정렬 요구사항을 명시하고 있고, 참조 데이터 타입과 이를 가리키는 포인터가 올바르게 정렬되어 있지 않은 경우 정상적인 동작을 보장하지 않습니다.

프로세서 아키텍처

위에서 잠시 언급했듯이 정렬되지 않은 메모리 접근을 허용하지 않는 프로세서가 있습니다. ARMv6-M 의 경우 정렬되지 않은 메모리 접근에 대해 usage fault 를 발생시킵니다.

어떻게 회피하나

Unaligned memory access 를 지원하지 않는 프로세스에서 정렬되지 않은 메모리 주소로 multi-byte 접근을 할 경우 fault 가 발생합니다.

가령, uint32_t val = *((uint32_t *)0x1) 은 ARM 아키텍처의 경우 ldr 명령어로 변환되어 정렬되지 않은 메모리 접근을 발생시킵니다.

이를 우회하기 위해서는 컴파일러에서 해당 구문을 바이트 단위 명령어로 변환하도록 유도해야 하는데, 이때 PACK_STRUCT 또는 memcpy 를 사용합니다.

memcpy 는 C 표준에서 제공하는 방법이고, pack 속성은 컴파일러에게 바이트 단위 메모리 접근을 유도합니다.

언급된 서로 다른 세가지 방식의 메모리 접근은 실제로 다음 어셈블리 코드로 번역됩니다:

포인터 접근

# *(uint32_t *)ptr;
ldr     r0, [r0]

memcpy

# memcpy(&dst, ptr, 4);
add     r0, sp, r2
bl      memcpy

PACK_STRUCT

# __attribute__((__packed__))
# typedef struct { uint32_t b; } unaligned32_t;
# ((unaligned32_t *)ptr)->b;
ldrb    r3, [r0]
ldrb    r1, [r0, #1]
ldrb    r2, [r0, #2]
orr     r3, r3, r1, lsl #8
ldrb    r0, [r0, #3]
orr     r3, r3, r2, lsl #16
orr     r0, r3, r0, lsl #24

Zephyr 에서 사용한 UNALIGNED_GET 매크로는 가독성과 생산성을 높이기 위해 작성되었는데, 다소 복잡해보이는 이유는

1. pack 속성을 주입하기 위해 구조체를 사용
2. double evaluation 을 피하기 위해 새로운 변수에 파라미터를 할당해야하기 때문입니다

컴파일러 전처리기에서 발생하는 double evaluation 에 대해서는 링크를 참조해주세요.

Conclusion

정렬되지 않은 메모리 접근을 지원하지 않는 프로세서에서 정렬되지 않은 메모리 주소로 multi-byte 접근이 필요한 경우, 컴파일러가 이를 바이트 단위 접근 명령으로 변환할 수 있도록 PACK_STRUCT 또는 memcpy 를 사용해야 합니다.

응용 개발의 경우 정렬되지 않은 메모리 접근 문제에 대해 고민할 필요는 많이 없습니다. 하지만, 펌웨어를 작성하거나 커널, 디바이스 드라이버 또는 메모리를 직접 제어해야 하는 등의 low-level 개발이 필요한 경우 고려해야합니다.

References

• C17 표준
• Unaligned accesses in C/C++: what, why and solutions to do it properly
• Take advantage of ARM unaligned memory access while writing clean C code