葡京娱乐棋牌官网童话故事 — CPU的贴身护卫ITCM和ICache

 

“叮铃铃… 叮铃铃…”

“谁啊?”黛丝大学生打开了家门,”哇,高飞,你怎么来了?”

高飞狗:”好久不见,想来看看您,还买了你最欣赏吃的纯黑巧克力。”

黛丝:”以往都是布鲁托领着您来的,后日你独自上门,必定不怀好意。买了这么多巧克力,必是别有他图吧?”

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

黛丝:”我就了解你无事不登八宝殿! 说吧,又赶上哪些疑难的难题了。”

高飞狗:”是这般的,这两年以Cortex-M7(以下简称CM7)为主干的MCU越来越多,CPU周围新增了两种部件,例如ITCM和ICache,最新的STM32H743,ITCM容量高达64KB,ICache容量高达16KB,我对其意义一知半解,对其用法一头雾水,你能无法给详细讲解一番?”

黛丝:”高飞,你何时变得起早贪黑了,居然研究起高大上的科技来了。”

高飞狗心想:”只要能把您这白富美搞到手,再伟大上的不便也要不惜一切代价战胜。”

黛丝:”ITCM和ICache还真是很风尚的东西,毕竟是新东西,我探究的时间也不长,谈不上教学,说错的地点还请及时指正。”

高飞狗:”你太谦虚了!”

黛丝:”我们如故从实质上问题出发吧。”

黛丝:”以堆栈空间为例。堆栈空间及其存储的各类数据(含应用程序中的所有片段变量),只有CPU才会造访,而且是屡屡造访。不过,在CM7出现从前,堆栈空间只可以放在SRAM中,而SRAM是共享资源,DMA可以访问,其余总线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%的时间可以访问SRAM,极大地降落了先后性能。”

黛丝:”Q2:其余总线Master有可能篡改堆栈空间上的数目,严重恐吓应用程序的张家界。”

高飞狗:”对对对,我就有过这么的阅历。”

黛丝:”ITCM的出现,彻底解决了以上五个问题。ITCM就是CPU的贵人,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多次用到的数额对象,大大提升应用程序性能,且其中的多少不会被其余总线Master篡改,大大提高了应用程序的安全性。”

高飞狗:”出现转机!”

高飞狗:”除此之外,ITCM还有哪些用?”

黛丝:”在千头万绪应用程序中,经常高频地、随机地发生各类中断。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出现往日,CPU应对搁浅存在以下多少个喉咙痛的题目:”

黛丝:”Q1:IVT与被中止代码的大体地址相距(简称空距)日常较远,需要消耗五个机械周期才能读取中断向量。”

黛丝:”Q2:而ISR与IVT的空距常常也较远,又需要消耗五个机械周期才能跳转到ISR。”

黛丝:”于是,爆发五遍中断,要耗费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器周期。”

黛丝:”执行一次ISR,花费在代码跳转上的时刻好像不多。不过,高度频繁、随机爆发的各样中断,将使CPU在先后跳转上耗费极其巨大的日子。在千头万绪、实时性要求较高的采取中,其代价仍然很惊人的。”

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,大幅提高了ISR的实时性能。”

 

高飞狗:”我记得MCU内部平常都配有自适应实时加速器 (ART-Accelerator™),为啥还需要ITCM来做那项工作吧?”

黛丝:”在一一读取连续存放的授命时,ART- Accelerator有不问可知的涨价效果。而上述3个问题的意况,基本上是自由读取指令,也就是代码间的空距较远,ART- Accelerator的功力就大让利扣,基本没什么提速效率,这多亏ART- Accelerator的短板,而ITCM的面世则大大升级了自由读取指令和数据的性能,补上了ART- Accelerator的短板。”

 

高飞狗:”我晓得了。”

高飞狗:”亲爱的,我发觉,STM32H743的ITCM容量高达64KB,除了缓存IVT、ISR、堆栈空间之外,把全副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,应用程序的性质提升幅度将是不可想像的。”

黛丝:”你仍然很懂事的! 比此前聪明多了!”

高飞狗:”我精晓为啥要把ITCM的容量设计得如此大了。”

高飞狗:”CM7是32位中央,为啥ITCM被设计为64位宽度?”

黛丝:”固然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位数据的需求如故广大的,而且不少下令需要两次传送六个32位数据,如下表所示,与32位总线宽度相比,64位的总线宽度可以节约50%的数额传送时间,性能进步是可怜惊人的。”

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:”听你讲了如此多,胜读多年书。有点累了吧? 我给您泡杯咖啡,吃块巧克力怎样?”

黛丝:”你倒反客为主了!还有甚问题,一气问了,我还要出去工作呢。”

高飞狗心想:”还这样狠心,一丝咸聊的机遇都不给。”

高飞狗:”既然ITCM这么好,为啥还出了个ICache,又有怎样用吧? 总有种既生高飞,何生黛丝的觉得!”

黛丝:”巧言令色,看本身不踩死你!”

黛丝:”这还得看一个小例子,才能说得明白。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个函数顺序得到推行,在进行时间上是附近的,简称时距相邻。

F2:3个函数的情理地址相距很远,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次执行花费在跳转上的日子至少9个机器周期,循环的1亿次实施相应的付出至少9亿个机器周期!

 

有了ICache之后,情状大不相同。

ICache的表征是自动地把时距相邻的代码尽可能集中存放在融洽体内,而不论是这么些代码的空距有多少距离,且CPU以单周期访问ICache。”

 

黛丝:”以上述小循环为例,在履行function1()期间,ICache会把function1()尽可能缓存在投机体内,在实践完一遍巡回后,要是3个函数的总容量不领先ICache的容量,那么3个函数的全方位代码均已缓存在ICache体内。从循环的第2次实施起来,CPU只需访问ICache就足以实施总体循环,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1亿次实践花费在函数跳转上的日子只需3亿个机械周期!”

黛丝:”经常,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。只要容量充分大,ICache还会把被function1/2/3()调用的其他函数通通缓存到体内,因而而节约的实践时间远远超越如上所述。”

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以单周期访问这个代码,大大提高了程序性能。”

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施性能,且需要人工地把代码社团成空距相邻。”

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中的全体内容,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那或多或少。所以,ICache中缓存的代码一定是ITCM之外的情节。”

高飞狗:”ITCM和ICache还当真各有所长。”

高飞狗:”你讲了这样多,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、独占情势访问那些代码和数据,大幅进步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以单周期访问这多少个代码,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:”概括得可怜好。”

黛丝:”对于STM32H743,ITCM和ICache的总容量已达成80KB,假如程序设计者精心安排,使得80%的日子CPU是在这二者内部进行顺序,应用程序的属性提高将会极其巨大。”

 

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

黛丝:”你还挺仔细的!ITCM也足以存放数据,例如堆栈空间。所以,那一个名词的确有点词不达意。”

 

高飞狗:”对了,CM7核心还新增了DCache部件。如今做了一部分尝试,涉及DMA传送,好像一启用DCache,数据读写和传递就出问题;只要禁用DCache,一切都例行。你能无法给自己详细讲解一番?”

黛丝:”前些天时间不早了,我还得出来工作,下次再说吧。”

高飞狗:”那我请吃晚饭,聊表谢意!”

黛丝:”饭和谢就免了,你再不走自己就打跑了你!”

高飞狗:”这么狠心呀!这我就不谦虚了,先走一步了。”

“高飞的白鹭,黛丝的鹅,唐诗里有画,唐诗里有歌,唐诗是自家对您的剖白…”

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