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Cache威廉希尔官方网站 在星辰处理器中的应用

痞子衡嵌入式 来源:安德鲁的设计笔记本 2023-08-29 17:28 次阅读

引言

目前,灵动微控制器产品体系中,适配了MicroPython的,有MM32F3(MM32F3273G9P,Arm Cortex-M3)和MM32F5(MM32F5277E9P,ArmChina STAR-MC1),从官方数据来看,使用星辰处理器(STAR-MC1)的MM32F5对指令的处理效率要高于使用Cortex-M3处理器的MM32F3。如图x所示。

9dcb042e-464c-11ee-a2ef-92fbcf53809c.png

figure-arm-core-benchmark 图x 星辰处理器同其他Arm处理器内核对比

然而,同一份MicroPython的启动过程,在使用同样主频(120MHz)的情况下,在MM32F5平台上运行,总是莫名其妙地慢好多。。。昨天跟同事Hao聊SDK的样例工程对Cache问题的处理策略时,偶然意识到,早期为MM32F5适配MicroPython的时候没有考虑过Cache,随即赶紧翻出来MicroPython的代码,果然没开。好吧,更新MicroPython项目下MM32F5平台的启动代码,替换来自于SDK中的system_mm32f5277e.c和system_mm32f5277e.h文件。

/*
*Copyright2022MindMotionMicroelectronicsCo.,Ltd.
*Allrightsreserved.
*
*SPDX-License-Identifier:BSD-3-Clause
*/


#include"hal_device_registers.h"

#ifdefined(__VTOR_PRESENT)&&(__VTOR_PRESENT==1U)
externuint32_t__VECTOR_TABLE;
#endif

voidSystemInit(void)
{

#ifdefined(__FPU_PRESENT)&&(__FPU_PRESENT==1U)
#ifdefined(__FPU_USED)&&(__FPU_USED==1u)
SCB->CPACR|=(SCB_CPACR_CP10_MASK|SCB_CPACR_CP11_MASK);/*setCP10,CP11FullAccess*/
#endif
#endif/*__FPU_PRESENT*/

#ifdefined(__ICACHE_PRESENT)&&(__ICACHE_PRESENT==1U)
#ifndefICACHE_DISABLED
if(SCB->CLIDR&SCB_CLIDR_IC_Msk)
{
SCB_EnableICache();
}
#endif/*DCACHE_DISABLED*/

#endif/*__ICACHE_PRESENT*/
#ifdefined(__DCACHE_PRESENT)&&(__DCACHE_PRESENT==1U)
#ifndefDCACHE_DISABLED
if(SCB->CLIDR&SCB_CLIDR_IC_Msk)
{
SCB_EnableDCache();
}
#endif/*DCACHE_DISABLED*/
#endif/*__DCACHE_PRESENT*/
}

/*EOF.*/

其中,如果没有调用SCB_EnableICache()和SCB_EnableDCache()函数,默认关闭ICache和DCache,配置宏__ICACHE_PRESENT和__DCACHE_PRESENT来自于MM32F5270的芯片头文件mm32f5277e.h。

#define__STAR_REV0x0100U/*Corerevisionr1p0*/
#define__SAUREGION_PRESENT0U/*SAUregionspresent*/
#define__MPU_PRESENT1U/*MPUpresent*/
#define__VTOR_PRESENT1U/*VTORpresent*/
#define__NVIC_PRIO_BITS3U/*NumberofBitsusedforPriorityLevels*/
#define__Vendor_SysTickConfig0U/*Setto1ifdifferentSysTickConfigisused*/
#define__FPU_PRESENT1U/*FPUpresent*/
#define__DSP_PRESENT1U/*DSPextensionpresent*/
#define__ICACHE_PRESENT1U/*DefineifanICACHEispresentornot*/
#define__DCACHE_PRESENT1U/*DefineifanDCACHEispresentornot*/

编译,验证。找来两块之前下载了MicroPython固件的MM32F5开发板,向其中一块板子下载启用ICache和DCache之后的新固件。运行程序后,同使用之前版本固件的程序相比,果然有明显的提升。如图x所示。

9ddcc740-464c-11ee-a2ef-92fbcf53809c.gif

video-mm32f5-micropython 图x 启用Cache前后的MicroPython启动过程对比实物

图中板子运行程序启动MicroPython启动流程后,执行文件系统中Python源文件,闪烁小灯。图中下方的板子使用了启用Cache的程序,明显先完成MicroPython启动过程,先开始执行闪烁小灯的程序。

提交更新到代码仓库。Bingo!

commit46372ed15d5769b25775a209c56d62c4cfc3ac5d(HEAD->master,origin/master,origin/HEAD)
Author:AndrewSU
Date:WedJun1411062023+0800

updatethestartupcodetoenabletheicacheformm32f5.

-thisfixwouldacceleratethespeedofrunningtheinstruction
sequenceonmm32f5,whichhastheicacheanddcacheintegrated.

Signed-off-by:AndrewSU

启用Cache后,之前在MM32F5微控制器平台上运行MicroPython小概率会出现hardfault的问题也得到的缓解,颇有“治好了某人多年老寒腿”的赶脚。^v^。

Cache的工作原理

Cache主要解决高速的CPU访问低速的存储器均衡速度差的问题,Cache通过预取数据/命令的机制,低速但整块地从低速存储器中取数据块,然后快速但串行地向CPU送数据流。高速的处理器大多使用哈佛结构,即使用指令总线和数据总线分别取指令和数据,对应有ICache和DCache。

Cache能够有效工作基于几个基本前提:

空间局部性:在最近的未来,使用到的信息和当前使用的信息在空间上会是邻近的。这个因为数据大部分都是连续存储的。所以主存当中的数据都是成块传输到Cache当中。

时间局部性:在最近的未来,使用到的信息可能是当前正在使用的信息。由于CPU本质上一个死循环,里面还有很多小循环的运行和操作,所以当前使用到的数据很可能会在循环当中,这样当前的数据有可能会在将来在再被调用一次。

另外,关于Cache还有其余部分需要了解:

Cache与主存的映射方式:解决主存内数据块和Cache当中数据块的对应关系。

替换算法:Cache小,主存大。如果Cache中数据存满了之后,如何操作。

Cache写策略:如果CPU修改了Cache中的副本,如何确保Cache中的数据和主存中的母本数据保持一致。

关于Cache的工作原理,以及设计机制,可参考计算机专业考研四大专业课之《计算机体系结构》,以及参考文献中的《一文搞懂Cache基本原理》。

需要关闭DCache的情况

在微控制器系统中,有时会需要直接使用内存里的数据同外设交互,而不进入CPU,例如使用DMA(另一个总线主机AHB Master,但不需要Cache功能)相关,这种场景下,使用Cache的意义就不大了,甚至可能会出现数据不一致的风险,此时,就需要关闭Cache才能让系统正常工作。具体来说,ICache可以继续启用,毕竟指令都是送到CPU中执行,但DCache需要关掉,否则通过CPU写入到内存的数据未能及时同步物理内存时(基于Cache的写策略),启动DMA时搬运的数据不一定是实际需要传送的数据。另外,所有使用到“内嵌”DMA的外设模块的工程中,也需要小心谨慎地使用DCache,例如一些USB外设、ENET外设、显示加速器、以数据块为操作单元的加速计算模块等。

关ICache的情况虽然不多,但也存在,例如在涉及IAP应用中,从存放指令的介质中擦除指令、写入新指令后,再读指令,实际的新指令可能尚未替换到ICache中存放的旧指令,导致程序执行错误。

鱼和熊掌都想要

关闭DCache之后,CPU读数据的速度会明显慢很多,例如本文一开始展现的情况。怎样才能提升访问访问速度的同时,又能确保数据一致性呢?总不会人为频繁地开关Cache吧(很多微控制器对启动Cache的时机也有特别要求,需要在运行应用程序的一开始就要开启)。这里有两种可能的思路,供大家参考:

使用内存保护单元MPU

使用内存隔离/同步指令

这两种方法,分别是在空间上和时间上对数据进行隔离,控制仅在必要的空间上或时间上启用和关闭Cache。

使用内存保护单元MPU

MPU(Memory Protection Unit)内存保护单元在ARMv7-M架构下被引入。在 ARMv7-M架构下,Cortex-M3和Cortex-M4处理器对 MPU 都是选配的,不是必须的。ARMv8-M架构下继续沿用了MPU,星辰处理器STAR-MC1就使用了ARMv8-M。

MPU是一个可以编程的设备模块,可用来定义内存空间的属性,比如特权指令和非特权指令,以及Cache是否可访问。ARMv7-M通常支持8个region,每个region 代表一段连续的区域。

关于MPU的用法,可参见参考文献中的《ARM-MPU内存保护单元详解》和《Armv8-M Architecture Reference Manual》。

使用内存隔离/同步指令

ARM的指令集中,有内存隔离指令DMB(Data Memory Barrier)、DSB(Data Synchronization Barrier)和ISB(Instruction Synchronization Barrier):

数据存储器隔离。DMB 指令保证:仅当所有在它前面的存储器访问操作都执行完毕后,才提交(commit)在它后面的存储器访问操作。

数据同步隔离。比 DMB 严格:仅当所有在它前面的存储器访问操作都执行完毕后,才执行在它后面的指令(亦即任何指令都要等待存储器访问操作——译者注)。

指令同步隔离。最严格:它会清洗流水线,以保证所有它前面的指令都执行完毕之后,才执行它后面的指令。

在一些ARM程序代码中,会用到__DSB() 指令,特别是在一些中断处理函数中。例如:

//中断定时器PIT中断处理函数
voidPIT_LED_HANDLER(void)
{
/*Clearinterruptflag.*/
PIT_ClearStatusFlags(PIT,kPIT_Chnl_0,kPIT_TimerFlag);
pitIsrFlag=true;
__DSB();
}

程序通过中断信号进入中断处理函数时,首先应当清除相应的中断标志位,但有些CPU的时钟太快,快于中断使用的时钟,就会出现清除中断标志的动作还未完成,CPU就又一次重新进入同一个中断处理函数,导致死循环,__DSB() 指令的作用就是避免上述情况的发生。

总结

本文从修复MicroPython启动程序在MM32F5微控制器上比较慢的问题,体验了星辰处理器中Cache的作用。简单介绍了Cache的工作原理和机制,重点介绍了使用Cache可能存在的风险,并进一步探讨了如何能用到Cache高速存取的同时避免数据不一致的情况。

审核编辑:汤梓红
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原文标题:Cache威廉希尔官方网站 在星辰处理器中的应用

文章出处:【微信号:pzh_mcu,微信公众号:痞子衡嵌入式】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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