访存对齐与跨界访问

形式陈述

取非负整数字节地址 $a$ 、正整数宽度 $n\ge1$ 。访问从 $a$ 开始的 $n$ 字节，若 $a\bmod n=0$ ，即满足整除条件 $n\mid a$ ，称它对访问宽度 $n$ 自然对齐。若内存以正整数 $B\ge1$ 字节为块，且访问不环绕地址空间，它覆盖的块数为

N_B(a,n)=\left\lfloor\frac{a+n-1}{B}\right\rfloor-\left\lfloor\frac aB\right\rfloor+1.

自然对齐只比较地址和访问宽度；跨块判断还需要块大小。两者均不决定字节序。宽度、对齐要求、越界访问和异常的处理应由 ISA 与执行环境共同明确。

本单元正常执行模型只允许有效的四字节对齐 lw/sw。这是教学限制。固定版 RV32I 2.1 对未对齐数据访问允许 EEI（execution environment interface）作选择，不能把此限制冒充“RISC-V 一律拒绝未对齐访问”。

直觉

可以把内存想成编号格子，但硬件一次搬运的是一组格子。从组内靠后位置开始取数，可能需要访问下一组再拼接。即使拼出的字节完全正确，额外访问、异常检查和并发观察的方式仍可能变化。

对齐是地址的整除条件，并不是“地址看起来规整”。十六进制末位为 4 的地址适合四字节对齐，却不满足八字节对齐。

例子与边界

取 $B=8$ 。四字节访问 $(a,n)=(2,4)$ 不自然对齐，但只覆盖地址 $2,3,4,5$ ，所以 $N_B=1$ 。访问 $(6,4)$ 同样未对齐，却覆盖块 $[0,7]$ 和 $[8,15]$ ，所以 $N_B=2$ 。不能仅用“未对齐”估计传输次数。

四字节访问 $(4,4)$ 自然对齐且只覆盖一个块。在 $n\mid B$ 且块边界也按 $B$ 对齐时，宽度为 $n$ 的自然对齐访问不会跨块；若这些假设缺失，结论不再由定义成立。

设一个自定实现把跨边界的四字节写拆为两个两字节写。初值四字节都为零，目标四字节都为 FF。第一半写入后，另一个观察者可能读到 FF FF 00 00。这是一个说明撕裂的实现反例，并不是对所有未对齐访问都如此执行的断言。

原子操作要求对外呈现不可分的效果，不能从“汇编只有一条指令”推出。RV32I 的自然对齐 load/store 有相应原子性保证；未对齐访问是否原子，必须继续看适用规范和扩展。原子的 load/store 也不等于把一串读—改—写合成原子操作。

地址 $0x100$ 可自然对齐，却位于不允许访问的区域；它仍可能产生访问故障。地址 $0x102$ 可指向有效字节，但四字节访问未对齐。若访问跨越两种权限区域，必须检查整个访问范围，而不能只验证起始地址。

推论与应用

对齐信息帮助分析缓存块映射、数据布局和指令取址，但它不提供实际延迟。报告跨块成本时要说明是否串行、两块是否命中以及是否允许并行请求。

编写解析器时，逐字节取值并按格式组装可以避免偷偷依赖本机对齐规则。编译器是否把这样的代码合成宽 load，仍需保持目标语言和目标平台的行为约束。

参考资料

RISC-V International，RV32I 2.1，Load and Store Instructions，固定文档版 v20260120，§1.1.6；区分自然对齐保证与未对齐访问的 EEI 选择。
David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Organization and Design RISC-V Edition, 2nd ed., 2021，Chs. 2, 5。本文块数公式和两段写入反例由明确的教学假设推导。