关于ARM体系中栈的对齐问题

基于ARM架构的处理器的C语言程序设计遵循ATPCS(ARM-THUMB procedure call standard)和AAPCS(ARM Application Procedure Call Standard)。ATPCS规定数据栈为FD(满递减Full Decrease)类型，并且对数据栈的操作是8字节对齐的。在我自己的轻量级的嵌入式操作系统tqOS中没有考虑到线程工作栈的8字节对齐的问题，这样从内存池中分配到的栈的起始地址可能是4字节对齐的也可能是8字节对齐的，如果运气好每一个线程的栈式8字节对齐的则不会有什么问题出现，如果运气差线程的栈式4字节对齐的，那么就会导致种种错误......例如，最要命的是在线程函数中进行浮点数运算的时候，两个浮点数初始化之后打印出来都是错误的数据，进行算术运算之后也是错误的结果。因为浮点数double是8字节的，可能非8字节对齐的栈会导致运算出错。为了解决这个问题，我在tqOS的任务创建函数中对任务栈空间的分配中做了调整，将栈的起始地址始终设置为8字节对齐，如果不为8字节对齐则将栈指针下移至8字节对齐处。另外，APTCS要求了对栈的操作必须是8字节对齐的，所以对任务栈的初始化也是有要求的，也就是说一次要入栈两个数据，或者说一次要入栈偶数个数据，因为一次只入栈一个数据（4字节长度）的话就会导致栈的地址变成非8字节对齐了，这是不允许的！C语言程序会由ARM的C编译器会做好8字节对齐工作，但是涉及汇编和操作系统的时候就需要自己把握好入栈的数据问题。为此我把栈初始化函数里面的一个小小的部分改了一下，就是为了保证初始化完栈之后栈顶指针依然为8字节对齐的（详见tqOS的修改版的注释）。

综上，程序设计时需要保证栈指针为8字节对齐，使用操作系统是要保证每个任务的工作栈为8字节对齐的。详细信息搜索ATPCS和AAPCS。

引例：http://bbs.elecfans.com/jishu_468500_1_1.html

1. 当堆栈为单字对齐时，将有可能导致lib c这样严格按照AAPCS规范的库函数使用异常。

2. 程序中MSP、PSP的地址应尽量双字对齐（即地址能被8整除）。

由于编译器在后续的反汇编中保证堆栈的双字对齐，但为了应对极端情况，Cortex-M3and Cortex-M4中提供了一种硬件自动补齐功能。用户可以通过将SCB->CCR[9]置1使能此项功能。（缺省为双字对齐），当发生中断时由硬件自动检测堆栈是否双字对齐，如果对齐了，则不进行任何操作，如果没有对齐，则自动将SP减4这样便对齐。同时将xPSR的第9位置位。详细描述如下：

Another requirement of the AAPCS is that the stack pointer value should be double-wordaligned at function entry or exit boundary. As a result, the Cortex-M3 and Cortex-M4processors can insert an additional word of padding space in the stackautomatically if the stack pointer was not aligned to double-word location whenthe interrupt happened. In this way, we can guarantee that the stack pointer willbe at the beginning of the exception handler. This “double-word stack alignment”feature is programmable, and can be turned off if the exception handlers do notneed full AAPCS compliance.

The bit 9 of the stacked xPSR is used to indicate if the valueof the stack pointer has been adjusted. In Figure8.2, the stack pointer was aligned to double-word address location,so no padding was inserted and bit 9 of the stack xPSR is set to 0. The samestack frame behavior can also be found when the double-word stack alignmentfeature is turned off, even if the value of stack pointer wasn’t aligned to double-word boundary.