Cortex-A7支持的内存类型详解及配置举例

2024-08-31 23:20

本文主要是介绍Cortex-A7支持的内存类型详解及配置举例,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

0 参考资料

Introduction to memory protection unit management on STM32 MCUs.pdf
ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf

1 Cortex-A7支持的内存类型详解

1.1 内存类型

ARM架构处理器支持的内存类型分为三种,分别是Normal memory(正常内存)、Device memory(设备内存)、Strongly ordered memory(强序内存)。关于这三种内存类型的stm32官方释义如下:
在这里插入图片描述
Normal memory:
CPU访问这种类型内存可以以最高效的方式加载和存储字节、半字和字(编译器不知道内存区域类型)。对于Normal memory的内存区域,CPU不一定按照程序中列出的顺序执行加载/存储操作。
Device memory:
对于这种类型的内存区,加载和存储要严格按照次序进行,这样是为了确保寄存器按照正确顺序设置。
Strongly ordered memory:
程序完全按照编程列出的顺序进行,CPU在执行程序流中的下一条指令之前必须等待当前加载/存储指令执行结束(有效总线访问)。这可能会导致性能下降。

1.2 内存管理方式

提到Cortex-A7的内存管理方式就离不开MMU(内存管理单元)和页表。MMU负责将虚拟地址转换为物理地址,而页表则存储了虚拟地址和物理地址的映射关系。下面便是一级页表(段页表)描述符格式:
在这里插入图片描述
后文均以一级页表的描述符格式展开介绍。

1.2 内存的Cache策略 TEX[2:0]、C、B

TEX[2:0]:类型扩展位
C:Cache使能位
B:写Buffer使能位
写Buffer解释:

写缓冲器是一个非常小的高速存储缓冲器,用来临时存放处理器将要写入到主存中的数据,在没有写缓冲器的系统中,处理器直接写数据到主存中。在带有写缓冲器的系统中,Cache直接将数据先写到写缓冲器中,然后写缓冲器再以低速写入主存中。这就将高速的CPU和Cache从对主存的低速读写中脱离了出来。

写Buffer在CPU中的架构图如下:
在这里插入图片描述
当TEX[2]=1时,内存区域使能Cache,其余编码定义了内部和外部缓存属性:TEX[1:0]位组成外部Cache策略。C,B位组成内部Cache策略。内部和外部使用的编码属性相同。
(1)当TEX[2]为0时,TEX[1:0]、C、B组合形成的内存Cache策略如下:
在这里插入图片描述
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说明:
Device memory和Strongly ordered memory均不使能Cache,但后者不使能Buffer,对内存的加载/存储顺序要求更严格。区别在于前者指令执行完以后数据操作不一定会立即生效(要等到写Buffer写入完成),而后者指令执行完数据操作立即生效。

当TEX[2]为1时,TEX[1:0]、C、B组合形成的内存Cache策略如下:
在这里插入图片描述
按照下表决定Inner和Outer的Cache配置:
在这里插入图片描述
说明:
(1)CPU读取数据
(1.1)Cache数据命中
CPU直接从Cache读取数据
(1.2)Cache数据未命中
Read through:直接从内存读取数据,数据不会缓存到Cache
Read allocate:先把内存中的数据读取到Cache,再从Cache中读取数据
(2)CPU写入数据
(2.1)Cache数据命中
Write through:把数据同时写入Cache和内存
Write back:先把数据写入到Cache,并不同步更新memory(后端存储)。只是在Cache区要被新进入的数据取代时,才更新memory(后端存储),这种方式也称作flush方式。
(2.2)Cache数据未命中
Write allocate:先把要写的数据载入到Cache中,写Cache,然后再通过flush方式写入到内存中
No write allocate:直接把要写的数据写入到内存中
注意:只要开启了Cache就默认开启了Read allocate。
什么是inner cache和outer cache?
通常内部集成的cache属于inner cache,外部总线AMBA上的cache属于outer cache。Inner是指最内层的缓存,即最接近CPU的缓存,并且总是包括最低级别的缓存。由Inner缓存属性控制的缓存不能位于由Outer缓存属性控制的缓存之外。在具体的实现中可能没有outer 缓存。比如有L1,L2, L3的三级缓存架构中,三个缓存可能都是inner缓存,而不存在outer缓存。也可以是L1是inner缓存,L2和L3是outer缓存。
以stm32MP135为例,其具有32KB的指令/数据一级缓存和128KB的未定义二级缓存。从以下框图可以看出,L1缓存属于inner缓存,L2缓存属于outer缓存。
在这里插入图片描述

1.3 内存共享配置S

在这里插入图片描述
当S=0时Normal memory不可共享,当S=1时Normal memory共享。可以看到只有Normal memory有独立的共享配置,而Strongly ordered memory由于不使能Cache及buffer不存在数据共享问题,只能是共享(相当于共享位配置无效)。Device memory由于使能了Buffer支持使能/失能共享,长描述符可配置为:Outer Shareable Device memory、Inner Shareable Device memory、Non-shareable Device memory、UNPREDICTABLE,短描述符可配置为:Shareable、Non-shareable。
Device memory的共享配置ARM官方建议如下:

ARM不建议使用“外部可共享(Outer Shareable Device memory)”或“可共享(Shareable)”以外的可共享性属性标记设备内存。

ARM原文如下:
在这里插入图片描述
本文举例使用的短描述符定义内存类型仅支持失能/使能共享(对应于ARM建议的可共享(Shareable))。如果需要配置为Inner Shareable Device memory,需要使用长描述符定义的内存类型。长描述符支持2位共享位配置,配置如下:
在这里插入图片描述
此外,在基于Cortex-M7的stm32H743中,开启了共享就基本等同于关闭了Cache,极大影响了性能。原文描述如下:
在这里插入图片描述

1.4 不可执行XN

在这里插入图片描述
不可执行XN位被设置为0表示可以从内存区域执行代码,被设置为1表示不可从内存区域执行代码。

2 Cortex-A7内存配置类型举例

下面以基于Cortex-A7内核的stm32MP135的内存配置为例,分析其4GB寻址空间被配置成什么内存类型,加深我们对于内存类型的理解。
下图为stm32MP135内存区域划分及其对应的内存属性:
在这里插入图片描述

这篇关于Cortex-A7支持的内存类型详解及配置举例的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1125280

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