[ARM] Alignment가 무엇인가?!

사실, 이 글은 딱히 ARM architecture에 국한 된 것은 아니다.

"Alignment가 무엇인가" 대한 글인데.. 살짝 요약하기 전에 바로 본론으로 들어가보도록 한다.

컴퓨터라는 놈은 특히 ARM architecture에서는 무언가를 실행하기 위해서, CPU 바로 옆에 있는 레지스터와 메모리 사이에 읽고 쓰는

연산이 굉장히 많다. 이때 주의깊게 봐야 할 점은 메모리에서, 어떤 주소에서 얼마 만큼 읽어 올 것인가가 주된 내용이다.

아래 그림에서 각 메모리 주소들은 주소를 나타내고 각 주소마다 1byte 만큼을 의미한다.

각각의 예시를 통해서 개발자가 생각하는 컴퓨터의 예상 행동과 실제 컴퓨터의 행동을 비교해보도록 해보자

먼저, 개발자가 생각하는 컴퓨터의 예상 행동은

• READ 주소0 부터 1byte: 아래 색칠 되어있는 0 부분만 읽어오는 것

• READ 주소3 부터 2byte: 아래 색칠되어있는 3 그리고 4를 읽어오는 것
  

• READ 주소3 부터 4byte: 아래 색칠되어있는 3, 4, 5 그리고 6를 읽어오는 것

하지만, 실제 컴퓨터의 동작은 프로그래머가 생각하는 방식으로 동작하지 않고 읽거나 쓸 때 Chunk 단위로 동작하는데 이 단위는 CPU에 따라 다르다. 예를 들어 32bit architecutre에서는 32bit chunk 단위로 움직이고, 64bit architecture에서는 64bit chunk 단위로 움직이게 된다. 즉,

• READ 주소0 부터 1byte: 0 번째 byte를 읽기 위해서 0,1,2 그리고 3번째 byte를 모두 읽고, 그 중 0번 째 byte 값만 다시 OR 연산을 통해
                                           해당 0 번째 byte만을 결과로 갖는다.

• READ 주소3 부터 2byte: 3 번째 부터 2 byte를 읽기 위해서 0,1,2,3 그리고 4,5,6,7 번째 byte를 모두 읽고, 그 중 3번 째, 4번째 byte 값만 다시
                                          OR 연산을 통해 결과로 갖는다

• READ 주소3 부터 4byte: 3 번째 부터 4 byte를 읽기 위해서 0,1,2,3 그리고 4,5,6,7 번째 byte를 모두 읽고, 그 중 3,4,5,6번 째 byte 값만 다시 OR
                                           연산을 통해 결과로 갖는다.

 이처럼, 프로그래머가 읽고 싶은 번째부터 몇 개의 byte만을 읽기 위해서 실제로는 chunk 단위로 읽어 들여야 하다 보니 생각치 못한 오버헤드가 생긴다. 그래서 CPU가 자체적으로 이렇게 오버헤드가 생기지 않게 하기 위해서, Alignment check를 통해서 자체적으로 오버헤드를 줄일 수 있게 해 놓았다.(읽고자 하는 단위와, 주소를 통해서 Alignment를 체크한다.)

Memory Access	Alignment (8bit)	Alignment (16bit)	Alignment (32bit)	Alignment (64bit)
0x0000_0000	Aligned	Aligned	Aligned	Aligned
0x0000_0001	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0002	Aligned	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0003	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0004	Aligned	Aligned	Aligned	Non-Aligned
0x0000_0005	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0006	Aligned	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0007	Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned	Non-Aligned
0x0000_0008	Aligned	Aligned	Aligned	Aligned

위에 테이블과 같이 해당 메모리는 접근 할 때, 위에 표를 참조하여 Alignment를 체크하고 올바르지 않은 접근을 하게 되면 Alignment Fault를 발생시킨다.