童话故事 — CPU的贴身护卫ITCM和ICache

 

“叮铃铃… 叮铃铃…”

“什么人啊?”黛丝硕士打开了家门,”哇,高飞,你怎么来了?”

高飞狗:”好久不见,想来看看你,还买了你最欢喜吃的纯黑巧克力。”

黛丝:”以往都是布鲁托领着你来的,明日你独自上门,必定不怀好意。买了这么多巧克力,必是别有她图吧?”

高飞狗:”你这说的怎么着话,咱俩一块长大的,怎么会不怀好意? 别有她图倒是真的。”

黛丝:”我就清楚您无事不登八宝殿! 说吧,又遇上什么样疑难的难题了。”

高飞狗:”是这样的,这两年以Cortex-M7(以下简称CM7)为基本的MCU越来越多,CPU周围新增了二种部件,例如ITCM和ICache,最新的STM32H743,ITCM容量高达64KB,ICache容量高达16KB,我对其功能一知半解,对其用法一头雾水,你能不可以给详细讲解一番?”

黛丝:”高飞,你什么样时候变得起早贪黑了,居然研商起高大上的科技来了。”

高飞狗心想:”只要能把你这白富美搞到手,再伟大上的窘迫也要不惜一切代价战胜。”

黛丝:”ITCM和ICache还真是很时髦的事物,毕竟是新东西,我研商的时刻也不长,谈不上上课,说错的地方还请立时指正。”

高飞狗:”你太谦虚了!”

黛丝:”咱们依旧从实际问题出发吧。”

黛丝:”以堆栈空间为例。堆栈空间及其存储的各样数码(含应用程序中的所有片段变量),只有CPU才会造访,而且是反复造访。不过,在CM7出现此前,堆栈空间只可以放在SRAM中,而SRAM是共享资源,DMA可以访问,此外总线Master也都可以访问。导致了以下问题:”

黛丝:”Q1:CPU要和其它总线Master争夺SRAM访问控制权,最惨的时候,CPU唯有50%的日子可以访问SRAM,极大地降低了先后性能。”

黛丝:”Q2:另外总线Master有可能篡改堆栈空间上的数目,严重要挟应用程序的安全。”

高飞狗:”对对对,我就有过这样的经历。”

黛丝:”ITCM的面世,彻底解决了以上五个问题。ITCM就是CPU的贵妃,归CPU专享、专用、私有、独占。我们把堆栈空间布置在ITCM内,CPU就足以零等待、单周期、全速访问堆栈空间和反复用到的数目对象,大大升级应用程序性能,且其中的数码不会被其他总线Master篡改,大大升级了应用程序的安全性。”

高飞狗:”醍醐灌顶!”

高飞狗:”除此之外,ITCM还有咋样用?”

黛丝:”在纷繁应用程序中,平日高频地、随机地暴发各种中断。发生搁浅时,就要读取中断向量表(IVT),然后跳转到中断服务程序(ISR)。在CM7出现以前,CPU应对搁浅存在以下几个胸口痛的题目:”

黛丝:”Q1:IVT与被中止代码的物理地址相距(简称空距)平常较远,需要耗费六个机械周期才能读取中断向量。”

黛丝:”Q2:而ISR与IVT的空距平日也较远,又需要消耗多少个机械周期才能跳转到ISR。”

黛丝:”于是,暴发一回中断,要消耗成千上万机械周期才能跳转执行到ISR。”

黛丝:”Q3:ISR重回到被搁浅代码又要耗费成千上万个机械周期。”

黛丝:”执行三回ISR,花费在代码跳转上的大运好像不多。不过,高度频繁、随机爆发的各样中断,将使CPU在程序跳转上耗费极其巨大的岁月。在错综复杂、实时性要求较高的接纳中,其代价如故很惊人的。”

黛丝:”ITCM的面世,完美解决了以上3个问题。程序设计者可以人工地把IVT和ISR安排在一块连续地址空间内,在系统启动时将其整个装入ITCM中,由于CPU访问ITCM总是单周期的,以上3个问题中的程序跳转均可以单周期完成,大幅升级了ISR的实时性能。”

 

高飞狗:”我记忆MCU内部通常都配有自适应实时加速器 (ART-Accelerator™),为何还索要ITCM来做这项工作呢?”

黛丝:”在依次读取连续存放的命令时,ART- Accelerator有分明的提速效果。而上述3个问题的场所,基本上是随便读取指令,也就是代码间的空距较远,ART- Accelerator的效果就大优惠扣,基本没什么提速功能,这多亏ART- Accelerator的短板,而ITCM的出现则大大升级了随机读取指令和数据的性能,补上了ART- Accelerator的短板。”

 

高飞狗:”我清楚了。”

高飞狗:”亲爱的,我意识,STM32H743的ITCM容量高达64KB,除了缓存IVT、ISR、堆栈空间之外,把方方面面RTOS缓存进去也没问题。如此,CPU就可以独占地、单周期访问高频度用到的代码和数量,应用程序的性质进步幅度将是不行想像的。”

黛丝:”你如故很懂事的! 比此前聪明多了!”

高飞狗:”我清楚为啥要把ITCM的容量设计得这般大了。”

高飞狗:”CM7是32位中央,为什么ITCM被设计为64位宽度?”

黛丝:”尽管CM7的整数运算能力多为32位,但也有微量64位整数运算指令和大气64位双精度浮点数运算指令,传送64位数据的需求仍旧不少的,而且许多限令需要一回传送六个32位数据,如下表所示,与32位总线宽度比较,64位的总线宽度可以节省50%的多寡传送时间,性能提高是这一个惊人的。”

例子:一次传送64位宽度数据的指令

说明

LDRD R8, R9, [R3];

以R3为地址指针,将一个64位双字载入R8和R9

LDM R8, {R0-R3}

以R8为地址指针,读取4个32位数据到寄存器中

相当于传送2个64位双字

STM R1, {R3-R6,R11,R12}

以R1为地址指针,存储6个32位寄存器数据

相当于传送3个64位双字

PUSH {R4-R7};

将4个32位寄存器推入堆栈,相当于2个64位双字

64位双精度浮点数的读取和存储指令

不再列出具体指令

 

高飞狗:”听你讲了这么多,胜读多年书。有点累了吧? 我给你泡杯咖啡,吃块巧克力咋样?”

黛丝:”你倒反客为主了!还有吗问题,一气问了,我还要出去干活呢。”

高飞狗心想:”还这么厉害,一丝咸聊的时机都不给。”

高飞狗:”既然ITCM这么好,为什么还出了个ICache,又有哪些用呢? 总有种既生高飞,何生黛丝的感觉到!”

黛丝:”巧言令色,看我不踩死你!”

黛丝:”这还得看一个小例子,才能说得精通。如下表所示。”

 

// 循环1亿次

while (…) {

function1(); // 函数地址在0x10000

function2(); // 函数地址在0x20000

function3(); // 函数地址在0x30000

}

 

黛丝:”这段小程序有2个特性:

F1:3个函数顺序拿到执行,在推行时间上是相邻的,简称时距相邻。

F2:3个函数的物理地址相距很远,简称空距很远。

 

因为空距很远,前一个函数执行完毕后,跳转执行到下一个函数,至少需要花费3个机械周期,循环的1次施行花费在跳转上的小运最少9个机器周期,循环的1亿次举行相应的支付至少9亿个机器周期!

 

有了ICache之后,意况大不相同。

ICache的特色是机动地把时距相邻的代码尽可能集中存放在温馨体内,而不论这么些代码的空距有多少路程,且CPU以单周期访问ICache。”

 

黛丝:”以上述小循环为例,在实施function1()期间,ICache会把function1()尽可能缓存在自己体内,在推行完三次巡回后,倘若3个函数的总容量不超过ICache的容量,那么3个函数的百分之百代码均已缓存在ICache体内。从循环的第2次施行起来,CPU只需访问ICache就可以执行总体循环,不必再拜访FLASH,所有指令的收获都是单周期的。前一个函数执行完毕后,跳转执行到下一个函数,只需1个机械周期,循环的1亿次施行花费在函数跳转上的时日只需3亿个机器周期!”

黛丝:”通常,函数function1/2/3()还会调用此外众多函数,函数之间的跳转切换数量要远远多于如上所说。只要容量丰富大,ICache还会把被function1/2/3()调用的其它函数通通缓存到体内,由此而节约的履行时间远远超出如上所述。”

黛丝:”所以,ICache的优势是智能地、自动地将时距相邻而空距很远的代码段放置在体内,CPU以单周期访问那一个代码,大大升级了先后性能。”

黛丝:”而ITCM的优势是大大提升了时距不相邻而空距相邻的代码段的实践性能,且需要人工地把代码协会成空距相邻。”

高飞狗:”ICache会不会缓存ITCM中的代码?”

黛丝:”由于CPU可以以单周期访问ITCM中的全部内容,所以ITCM中的内容不必缓存到ICache。在CPU硬件设计上就保险完成这点。所以,ICache中缓存的代码一定是ITCM之外的情节。”

高飞狗:”ITCM和ICache还确确实实各有所长。”

高飞狗:”你讲了如此多,我来总计一下,你看对不对。”

高飞狗:”结论1:ITCM既能缓存代码也能缓存数据,但需要人工地把频繁执行的代码、IVT、ISR和仓库空间连通(空距相邻),人为地装入其中。从而使CPU以单周期、独占格局访问这多少个代码和数量,大幅升级应用程序的性质和安全性。”

高飞狗:”结论2:ICache只好缓存代码,但智能地、自动地将时距相邻而空距很远的代码段放置在体内,CPU以单周期访问那么些代码,大幅提高程序性能。”

高飞狗:”一言以蔽之,ITCM和ICache是CPU的贴身护卫。”

黛丝:”概括得不得了好。”

黛丝:”对于STM32H743,ITCM和ICache的总容量已达到80KB,假设程序设计者精心安排,使得80%的光阴CPU是在这两者内部实施顺序,应用程序的特性提升将会极其巨大。”

 

高飞狗:”ITCM是Instruction Tightly Coupled
Memory的缩写,似乎其中只好存放代码?”

黛丝:”你还挺仔细的!ITCM也能够存放数据,例如堆栈空间。所以,这么些名词的确有点词不平易。”

 

高飞狗:”对了,CM7主题还新增了DCache部件。如今做了一些试验,涉及DMA传送,好像一启用DCache,数据读写和传递就出题目;只要禁用DCache,一切都例行。你能不可能给自身详细讲解一番?”

黛丝:”前些天日子不早了,我还得出来工作,下次再说吧。”

高飞狗:”这我请吃晚饭,聊表谢意!”

黛丝:”饭和谢就免了,你再不走我就打跑了你!”

高飞狗:”这么狠心呀!这我就不客气了,先走一步了。”

“高飞的白鹭,黛丝的鹅,唐诗里有画,唐诗里有歌,唐诗是自身对您的剖白…”

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