CPU的贴身护卫ITCM和ICache航天科技

 

“叮铃铃… 叮铃铃…”

“何人啊?”黛丝硕士打开了家门,”哇,高飞,你怎么来了?”

高飞狗:”好久不见,想来看望您,还买了你最喜爱吃的纯黑巧克力。”

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

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

黛丝:”我就领会你无事不登八宝殿! 说吧,又境遇怎么着困难的难题了。”

高飞狗:”是这么的,这两年以Cortex-M7(以下简称CM7)为要旨的MCU越来越多,CPU周围新增了三种部件,例如ITCM和ICache,最新的STM32H743,ITCM容量高达64KB,ICache容量高达16KB,我对其效劳一知半解,对其用法一头雾水,你能不可以给详细讲解一番?”

黛丝:”高飞,你咋样时候变得起早贪黑了,居然探讨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,再伟大上的困难也要不惜一切代价克制。”

黛丝:”ITCM和ICache还真是很时髦的事物,毕竟是新东西,我商讨的岁月也不长,谈不上上课,说错的地方还请立刻指正。”

高飞狗:”你太谦虚了!”

黛丝:”我们依旧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个数码(含应用程序中的所有片段变量),唯有CPU才会访问,而且是累累造访。可是,在CM7出现在此之前,堆栈空间只好放在SRAM中,而SRAM是共享资源,DMA可以访问,其余总线Master也都足以访问。导致了以下问题:”

黛丝:”Q1:CPU要和其余总线Master争夺SRAM访问控制权,最惨的时候,CPU只有50%的时日可以访问SRAM,极大地回落了先后性能。”

黛丝:”Q2:另外总线Master有可能篡改堆栈空间上的多寡,严重吓唬应用程序的平凉。”

高飞狗:”对对对,我就有过这么的经验。”

黛丝:”ITCM的出现,彻底解决了以上两个问题。ITCM就是CPU的贵妃,归CPU专享、专用、私有、独占。大家把堆栈空间布置在ITCM内,CPU就可以零等待、单周期、全速访问堆栈空间和反复用到的多寡对象,大大升级应用程序性能,且其中的数量不会被其它总线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还有什么用?”

黛丝:”在错综复杂应用程序中,经常高频地、随机地暴发各个中断。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应对搁浅存在以下多少个发烧的题目:”

黛丝:”Q1:IVT与被暂停代码的物理地址相距(简称空距)平日较远,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的空距经常也较远,又需要耗费五个机械周期才能跳转到ISR。”

黛丝:”于是,发生三回暂停,要耗费成千上万机器周期才能跳转执行到ISR。”

黛丝:”Q3:ISR重返到被暂停代码又要消耗成千上万个机器周期。”

黛丝:”执行一遍ISR,花费在代码跳转上的日子相近不多。但是,中度频繁、随机发生的各样中断,将使CPU在程序跳转上耗费极其巨大的时光。在错综复杂、实时性要求较高的采纳中,其代价仍然很惊人的。”

黛丝:”ITCM的出现,完美解决了上述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,在系统启动时将其全体装入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内部日常都配有自适应实时加速器 (ART-Accelerator™),为何还索要ITCM来做那项工作吗?”

黛丝:”在一一读取连续存放的授命时,ART- Accelerator有强烈的涨价效果。而以上3个问题的景观,基本上是擅自读取指令,也就是代码间的空距较远,ART- Accelerator的功效就大让利扣,基本没什么提速功能,这正是ART- Accelerator的短板,而ITCM的面世则大大提升了随便读取指令和数据的特性,补上了ART- Accelerator的短板。”

 

高飞狗:”我领悟了。”

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,把全部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多少,应用程序的性能提高幅度将是不可想像的。”

黛丝:”你依旧很懂事的! 比从前聪明多了!”

高飞狗:”我晓得为啥要把ITCM的容量设计得这么大了。”

高飞狗:”CM7是32位核心,为啥ITCM被规划为64位宽度?”

黛丝:”即使CM7的平头运算能力多为32位,但也有微量64位整数运算指令和大量64位双精度浮点数运算指令,传送64位数据的急需如故多多益善的,而且许多指令需要三回传送六个32位数据,如下表所示,与32位总线宽度相相比较,64位的总线宽度可以省去50%的数量传送时间,性能提高是充裕惊人的。”

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:”听你讲了这般多,胜读多年书。有点累了啊? 我给你泡杯咖啡,吃块巧克力怎么样?”

黛丝:”你倒反客为主了!还有甚问题,一气问了,我还要出来工作呢。”

高飞狗心想:”还如此狠心,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,又有咋样用吧? 总有种既生高飞,何生黛丝的感觉!”

黛丝:”巧言令色,看自己不踩死你!”

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个性状:

F1:3个函数顺序得到推行,在举办时间上是相邻的,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次施行花费在跳转上的光阴至少9个机械周期,循环的1亿次实施相应的支付至少9亿个机器周期!

 

有了ICache之后,情状大不相同。

ICache的特点是全自动地把时距相邻的代码尽可能集中存放在和谐体内,而不论这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,在执行function1()期间,ICache会把function1()尽可能缓存在和谐体内,在实践完五回巡回后,假使3个函数的总容量不超过ICache的容量,那么3个函数的万事代码均已缓存在ICache体内。从循环的第2次实践起来,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时辰只需3亿个机器周期!”

黛丝:”日常,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()调用的此外函数通通缓存到体内,因而而节约的施行时间远远超过如上所述。”

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以单周期访问这一个代码,大大提升了程序性能。”

黛丝:”而ITCM的优势是大大升级了时距不相邻而空距相邻的代码段的推行性能,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硬件设计上就保证形成这或多或少。所以,ICache中缓存的代码一定是ITCM之外的始末。”

高飞狗:”ITCM和ICache还当真各有所长。”

高飞狗:”你讲了那般多,我来总括一下,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和货栈空间连通(空距相邻),人为地装入其中。从而使CPU以单周期、独占模式访问这些代码和数量,大幅升级应用程序的习性和安全性。”

高飞狗:”结论2:ICache只可以缓存代码,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以单周期访问这一个代码,大幅升级程序性能。”

高飞狗:”简单来说,ITCM和ICache是CPU的贴身护卫。”

航天科技,黛丝:”概括得至极好。”

黛丝:”对于STM32H743,ITCM和ICache的总容量已达成80KB,假若程序设计者精心安排,使得80%的年华CPU是在这两者内部实施顺序,应用程序的性能提升将会极其巨大。”

 

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

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要旨还新增了DCache部件。如今做了有些实验,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,一切都正常。你能不可能给自己详细讲解一番?”

黛丝:”明天时间不早了,我还得出去办事,下次加以吧。”

高飞狗:”这我请吃晚饭,聊表谢意!”

黛丝:”饭和谢就免了,你再不走自身就打跑了您!”

高飞狗:”这么厉害呀!这我就不虚心了,先走一步了。”

“高飞的白鹭,黛丝的鹅,唐诗里有画,唐诗里有歌,唐诗是本身对你的表白…”

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