STM32H7的Cache应用

原创已于 2023-10-06 21:50:11 修改 · 1.2k 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #stm32 #arm开发

于 2023-10-06 20:58:08 首次发布

Cache及MPU学习笔记专栏收录该内容

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本文详细解读了STM32H7微控制器的Cache配置，包括非缓存、透写/读分配、回写/读分配和回写/读写分配模式，以及如何通过API进行配置以优化性能，同时强调了在多任务处理中缓存一致性的问题和解决方法。

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系列文章目录

1.Cache相关知识介绍

2.STM32H7的Cache应用

前言

使用M7内核的MCU，为提升性能，此系列文章记录对STM32H7的MPU和Cache的学习。

本文主要写的关于STM32H7上的Cache配置策略及应用

资料链接：Cache相关资料手册资源-优快云文库

一、Cache支持的配置

1.1 配置总览

Cache的配置是通过MPU来设置的，在STM32H7的编程手册中找到如下表：

各个Bit的含义：TEX是用来配置Cache策略的

C是开关Cache、B是缓冲用来配合Cache设置，S是开关共享，是用来解决多总线或者多核访问时的同步问题（开启共享等同于关闭Cache）（TEX=010基本上不用，不关注）

TEX配置的Cache策略如下：即这个是配置WB、WT、WA、RA模式

1.2 配置性能对比

MPU设置的存储器类型（memory types）：Normal memory ＞ Device memory ＞Strongly ordered memory

关于三种存储器类型的描述：（AN4838的Memory types章节）

注：M7内核只要开启了Cache，read allocate就是开启的。

配置方法性能最强：Cache策略选择WA、RA、WB模式（即TEX=0b001），开启缓冲区B，关闭共享S。这种相当于读写Cache都开启了，需要注意数据不一致问题。

例：配置AXI SRAM的为性能最强

   	/* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */
	MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x24000000;
	MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_512KB;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL1;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
	MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;

	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    //其中的MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1; 对应TEX
    //	MPU_InitStruct.IsBufferable   = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;对应B
	//  MPU_InitStruct.IsCacheable    = MPU_ACCESS_CACHEABLE;对应C
	//  MPU_InitStruct.IsShareable    = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;对应S

性能最弱的：关闭Cache（TEX为000），关闭缓冲区B，开启S共享。这种性能最差，访问的较慢。

例：配置AXI SRAM性能最差

   	/* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */
	MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x24000000;
	MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_512KB;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
	MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;

	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

二、四大配置

注：以下配置的方法均是根据编程手册的表格91来

2.1 Non-cacheable

这种配置即关闭了Cache，就是正常的读写操作，无任何优化

对应的MPU配置如下：

        TEX = 000 C=0 B=0  S=忽略此位，强制为共享
        TEX = 000 C=0 B=1  S=忽略此位，强制为共享
        TEX = 001 C=0 B=0  S=0
        TEX = 001 C=0 B=0  S=1

2.2 透写、读分配、无写分配（WT、RA）

（1）使能了此配置的SRAM缓冲区写操作
如果CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域，那么会同时写到Cache里面和SRAM里面；如果没有，就用到配置no write allocate了，意思就是CPU会直接往SRAM里面写数据，而不再需要在Cache里面开辟空间了。（如果是write allocate就会在Cache里面开辟一块空间）
在写Cache命中的情况下，这个方式的优点是Cache和SRAM的数据同步更新了，没有多总线访问造成的数据一致性问题。缺点也明显，Cache在写操作上无法有效发挥性能。（写操作无提升）

（2）使能了此配置的SRAM缓冲区读操作
如果CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，就可以直接从Cache里面读取。如果没有，就用到配置read allocate了，意思就是在Cache里面开辟区域，将SRAM区数据加载进来，后续的操作，CPU可以直接从Cache里面读取，从而时间加速。
安全隐患，如果Cache命中的情况下，DMA写操作也更新了SRAM区的数据，CPU直接从Cache里面读取的数据就是错误的。

（3）对应两种MPU配置如下：
TEX = 000 C=1 B=0 S=1
TEX = 000 C=1 B=0 S=0

2.3 回写、读分配、无写分配（WB、RA）

（1）使能了此配置的SRAM缓冲区写操作
如果CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域，那么会写到Cache里面，而不会立即更新SRAM；如果没有，就用到配置no write allocate了，意思就是CPU会直接往SRAM里面写数据，而不再需要在Cache里面开辟空间了。
安全隐患，如果Cache命中的情况下，此时仅Cache更新了，而SRAM没有更新，那么DMA直接从SRAM里面读出来的就是错误的。（数据一致性问题）

（2）使能了此配置的SRAM缓冲区读操作
如果CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，就可以直接从Cache里面读取。如果没有，就用到配置read allocate了，意思就是在Cache里面开辟区域，将SRAM区数据加载进来，后续的操作，CPU可以直接从Cache里面读取，从而时间加速。
安全隐患，如果Cache命中的情况下，DMA写操作也更新了SRAM区的数据，CPU直接从Cache里面读取的数据就是错误的。

（3）对应两种MPU配置如下：
TEX = 000 C=1 B=1 S=1
TEX = 000 C=1 B=1 S=0

2.4 回写、读写分配（WB、RA、WA）

（1）使能了此配置的SRAM缓冲区写操作
如果CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域，那么会写到Cache里面，而不会立即更新SRAM；如果没有，就用到配置write allocate了，意思就是CPU写到往SRAM里面的数据，会同步在Cache里面开辟一个空间将SRAM中写入的数据加载进来，如果此时立即读此SRAM区，那么就会有很大的速度优势。(这就是与无写分配的不同，有写分配就会同步开辟一块空间)
安全隐患，如果Cache命中的情况下，此时仅Cache更新了，而SRAM没有更新，那么DMA直接从SRAM里面读出来的就是错误的。

（2）使能了此配置的SRAM缓冲区读操作
如果CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，就可以直接从Cache里面读取。如果没有，就用到配置read allocate了，意思就是在Cache里面开辟区域，将SRAM区数据加载进来，后续的操作，CPU可以直接从Cache里面读取，从而时间加速。
安全隐患，如果Cache命中的情况下，DMA写操作也更新了SRAM区的数据，CPU直接从Cache里面读取的数据就是错误的。
这个配置被誉可以最大程度发挥Cache性能，不过具体应用仍需具体分析。

（3）对应两种MPU配置如下：
TEX = 001 C=1 B=1 S=1
TEX = 001 C=1 B=1 S=0

三、Cache相关API

（1）推荐使用128KB的TCM作为主RAM区，其它的专门用于大缓冲和DMA操作等。
（2）Cache问题主要是CPU和DMA都操作这个缓冲区时容易出现，使用时要注意。
（3）Cache配置的选择，优先考虑的是WB，然后是WT和关闭Cache，其中WB和WT的使用中可以配合ARM提供的如下几个函数解决上面说到的隐患问题。但不是万能的，在不起作用的时候，直接暴力选择函数SCB_CleanInvlaidateDCache解决。关于这个问题，在分别配置以太网MAC的描述符缓冲区，发送缓冲区和接收缓冲区时尤其突出。

在多个主控访问同一块内存前，可简单粗暴调用SCB_CleanInvlaidateDCache函数将Cache中的数据更新到主控制器里面，这样避免数据的不一致性。

通过WT策略，也可避免写的数据的不一致性，但是就无法提升写性能了。

开发过程多注意这个问题，使用SCB_CleanInvlaidateDCache或SCB_InvaildateDcahe尽量避免就可提高性能。