ESP32的IRAM和DRAM

ESP32-S3 的 RAM 结构是其高性能和灵活性的关键之一。理解 IRAM 和 DRAM 对于进行高效编程、优化性能以及解决某些内存相关的疑难杂症至关重要。

总览

ESP32-S3 具有丰富且可配置的片上 RAM。其大小取决于具体型号，常见的有：

• ​​ESP32-S3​​：512 KB SRAM

• ​​ESP32-S3（大容量型号）​​：高达 2 MB 的片上 SRAM

这些 RAM 在物理上由多个内存块组成，但从逻辑和功能上，开发者主要关注它们被映射到的两个关键总线区域：​​IRAM​​ 和 ​​DRAM​​。

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1. IRAM (Instruction RAM)

​​IRAM​​ 是​​指令 RAM​​。顾名思义，这片内存区域的主要用途是存放需要被 CPU 执行的​​机器指令（代码）​​。

关键特性：

• ​​连接总线​​：连接到 ESP32-S3 的 CPU（Xtensa LX7）的 ​​IBus​​ 和 ​​DBus​​。这意味着 CPU 可以从这片内存中高效地​​取指​​（Fetch Instructions）和​​读/写数据​​。

• ​​可执行​​：这是 IRAM 最核心的特征。只有存放在 IRAM 中的代码才能被 CPU 直接执行。

• ​​速度​​：由于与 CPU 内核距离近且通过专用总线连接，访问速度非常快。

什么代码需要放在 IRAM 中？

不是所有代码都需要放在 IRAM 里，因为 IRAM 空间相对有限。通常，以下情况需要将代码强制放入 IRAM：

1. ​​中断处理程序 (Interrupt Handlers)​​：当中断发生时，CPU 需要立即响应并执行中断服务程序 (ISR)。如果 ISR 的代码存放在外部 SPI Flash 中，而 Flash 又恰好在执行写操作或缓存未命中，就会导致中断响应延迟，这是不可接受的。因此，必须将中断处理程序放入 IRAM 以确保其随时可被立即执行。

2. ​​Flash 操作期间的代码​​：当需要对 SPI Flash 进行擦除、写入等操作时，正在执行的代码​​不能​​位于 Flash 中，否则 CPU 去取指时会发现 Flash 正“忙”而无法访问，导致程序崩溃。所以，执行 spi_flash_*这类操作的函数必须放在 IRAM 中。

3. ​​对实时性要求极高的代码​​：避免从 Flash 取指带来的缓存不确定性，将关键性能代码放入 IRAM 可以保证最稳定的执行速度。

如何将代码放入 IRAM（以 ESP-IDF 为例）？

在 ESP-IDF 开发框架中，你可以使用宏来指定函数存放的位置：

#include "esp_attr.h"

// 使用 IRAM_ATTR 宏将该函数放入 IRAM 区域
void IRAM_ATTR my_fast_function(void) {
    // 这里的代码将被链接到 IRAM 中
}

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2. DRAM (Data RAM)

​​DRAM​​ 是​​数据 RAM​​。这片内存区域的主要用途是存放​​变量数据​​。

关键特性：

• ​​连接总线​​：主要连接到 CPU 的 ​​数据总线 (DBus)​​。CPU 可以读写这片内存中的数据，但​​不能直接从这片内存中取指执行​​。

• ​​不可执行​​：这是与 IRAM 的根本区别。如果尝试跳转到 DRAM 地址去执行代码，会导致硬件异常。

• ​​用途​​：存放所有全局变量、静态变量、堆（heap）和栈（stack）等数据。

DRAM 的细分：D/IRAM

ESP32-S3 的物理内存非常灵活，可以通过配置 Cache 和 MMU，将一大块连续的物理 RAM 映射到不同的总线地址上。

我们通常说的 DRAM 在软件上可以细分为两个区域：

• ​​DRAM​​ (0x3FC8_0000~ ...): 这是​​数据内存​​的默认区域。你的所有普通变量、堆栈都分配在这里。

• ​​D/IRAM​​ (0x3FC8_0000~ ... 的一部分): 这是一块特殊的区域，它既可以被映射为 ​​DRAM​​（用于存放数据），也可以被​​重新映射​​为 ​​IRAM​​（用于存放可执行代码）。系统启动时，Bootloader 和 ESP-IDF 会根据配置决定如何划分这块物理 RAM 给 IRAM 和 DRAM 使用。

​​简单理解​​：有一块物理内存池，开发者可以决定从中划出多少给 IRAM（放代码），剩下的全部给 DRAM（放数据）。在 sdkconfig中调整 IRAM 大小，实际上就是在调整这个划分比例。

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IRAM 与 DRAM 对比总结

特性	IRAM (Instruction RAM)	DRAM (Data RAM)
​​主要用途​​	存放​​可执行代码​​	存放​​变量数据​​
​​可执行性​​	​​可执行​​	​​不可执行​​
​​存放内容​​	函数（特别是中断、Flash 操作相关函数）	全局变量、静态变量、堆(heap)、栈(stack)
​​访问总线​​	IBus (取指), DBus (读/写数据)	DBus (读/写数据)
​​宏标识​​	IRAM_ATTR	默认位置，或 DRAM_ATTR(用于非缓存地址)
​​地址范围​​	0x4037xxxxx0x4004xxxx等	0x3FCExxxxx0x3FFExxxxx等

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一个重要的相关概念：DCache 和 ICache

为了提高性能，ESP32-S3 具有高速缓存：

• ​​ICache (指令缓存)​​：缓存从外部 Flash 中取出的指令，然后提供给 CPU 执行。

• ​​DCache (数据缓存)​​：缓存从外部 Flash 或 RAM 中存取的数据。

CPU 执行代码的​​默认流程​​是：

1. 代码被编译后存储在外部 SPI Flash 中。

2. 上电后，CPU 需要执行代码时，ICache 会将 Flash 中的代码缓存到片内。

3. CPU 从 ICache 中高速读取指令并执行。

而我们将代码放入 IRAM，实际上是​​绕过​​了“Flash -> ICache”这个过程，让代码直接存在于片内 RAM 中，CPU 可以无延迟、无不确定性地直接访问，从而满足了实时性和可靠性的要求。

总结：

• ​​普通函数和变量​​：无需特殊处理，编译器会将其放在 Flash 和 DRAM 中，通过 Cache 机制高效运行。这是绝大多数代码的情况。

• ​​中断服务程序​​：必须使用 IRAM_ATTR宏将其放入 IRAM。

• ​​操作 Flash 的函数​​：必须使用 IRAM_ATTR宏。

• ​​需要极致性能的代码​​：可以考虑放入 IRAM 以避免缓存未命中，但会占用宝贵的 IRAM 空间。