说起字节对齐，我们先来看看存储器对地址的安排。

多模块交叉存储器

一个由若干个模块组成的主存储器时线性编址的。这些地址在各模块中如何安排，有两种方式：一事时顺序方式，一种是交叉方式。

在常规主存储器设计中，访问地址采用顺序方式。如图，存储器容量为32字，分成M0-M3四个模块，每个模块存储8个字。访问地址按顺序分配给一个模块后，接着又按顺序分给下一个模块。这样，存储器的32个字可由5位地址寄存器指示，其中高2位为选择4个模块中的一个，低三位选择每个模块中的8个字。

这种方式优点是，一个模块故障，其他模块仍然可以照常工作，并且通过增加模块来扩展存储器容量也很方便。缺点是各模块一个接一个的串行工作，因此存储器的带宽受到了限制。

另一种方式是交叉方式。如图，存储器容量也是32个字，也分成四个模块，每个模块8个字。但地址的分配方法是交叉的。先将4个线性地址0，1，2，3分配给M0，M1，M2，M3，再将线性地址5，6，7，8分配给M0，M1，M2，M3，一直重复，直到所有线性地址分配完。当存储器寻址时，用地址寄存器低2位来选择4个模块中的一个，而高3位用来选择模块中的8个字。

使用低位字段经过译码选择不同的模块，用高位字段指向相应模块内的存储字，这样，连续的线性地址分布在相邻模块，而同一个模块内的地址都是不连续的。对连续字的成块传送，交叉方式的存储器可以实现多模块流水式并行存取，大大提高存储器的带宽。

字节对齐

我们的计算机通常采用的是第二种方式。

对于奔腾32位CPU连接存储如下图所示：

其中D0~D31是连接到32位数据总线上的。32位地址总线共能寻址4GB的空间。4GB内存空间由4块内存芯片组成，每块1GB，CPU的A31~A2地址总线接在每一块内存芯片上（图中未画出），其实CPU给出的主存地址没有A1~A0，替代的是4个字节允许信号BE3~BE0，BE3~BE0控制是否允许被选中的存储单元完成读/写访问。图的左边是16进制表示的内存地址，这个地址是对外的，对于每个内存芯片自己看来地址排布还是0，1，2，3...这样排布的。

通过上面的接法，CPU可以实现按双字（32），字（16），字节（8）访问存储器。

按双字访问

通过CPU的主存地址中的A31~A2选中4块存储芯片中的同一个地址（对于存储芯片自己来说，对外不是一个同一个地址），然后使BE3~BE0全有效时即可以读出连续的双字（32位）。

按字访问

和访问双字类似，通过控制BE3~BE0同时选中连续的两块相邻地址的芯片即可。

按字节访问

和访问双字类似，通过控制BE2~BE0选中其中一个存储芯片即可。

数据的存储地址是数据字节长度的整数倍，则称为字节对齐。

知道了CPU是如何读取存储字后我们发现，对于非字节对齐的字或者双字，需要两个周期才能够获取。

总结

由于CPU与存储器的连接方式。并且CPU的主存地址并没有A1~A0，导致CPU发出的内存的地址永远都是4的倍数（32位CPU）。如果数据的存放地址不做字节对齐，对正常的工作不会产生任何影响，但是性能会降低，CPU需要2个周期来读取后将数据拼接起来才能读取到数据。如果数据的存放地址都是字节对齐的，那么CPU就可以在一个周期内读出一个双字。

参考资料

CPU访问内存