童话故事 — CPU的贴身护卫ITCM和ICache

 

“叮铃铃… 叮铃铃…”

“谁呀?”黛丝博士打开了门,”哇,高飞,你怎么来了?”

高飞狗:”好久不见,想来探视你,还买了而无限爱吃的纯黑巧克力。”

黛丝:”以往都是布鲁托领在若来的,今天而独自上门,必定不怀好意。买了这样多巧克力,必是变化发生他图吧?”

高飞狗:”你顿时说的什么话,咱俩一片长大的,怎么会无怀好意? 别有外图也真的。”

黛丝:”我虽清楚您无事不发表八宝殿! 说吧,又遇见什么困难的难题了。”

高飞狗:”是如此的,这简单年以Cortex-M7(以下简称CM7)为主导的MCU越来越多,CPU周围新增了几种部件,例如ITCM和ICache,最新的STM32H743,ITCM容量高及64KB,ICache容量高及16KB,我对那个效果一知半解,对那用法一头雾水,你能免可知被详细讲解一番?”

黛丝:”高飞,你什么时候换得起早贪黑了,居然研究由高大上的科技来了。”

高飞狗心想:”只要能够把你马上白富美为到手,再光辉上的艰苦为使不惜一切代价克服。”

黛丝:”ITCM和ICache还当真是十分时尚的事物,毕竟是初东西,我研究之辰吧不添加,谈不达标教学,说错的地方还伸手立刻指正。”

高飞狗:”你不过谦虚了!”

黛丝:”咱们还是从骨子里问题出发吧。”

黛丝:”以堆仓房空间为例。堆栈空间及其存储的各种数码(含应用程序中之有着片变量),只有CPU才见面看,而且是屡造访。但是,在CM7出现以前,堆栈空间只能在SRAM中,而SRAM是共享资源,DMA可以看,其它总线Master也都可以拜。导致了以下问题:”

黛丝:”Q1:CPU要跟另总线Master争夺SRAM访问控制权,最无助的当儿,CPU只发50%底光阴足以看SRAM,极大地降落了序性能。”

黛丝:”Q2:其它总线Master有或篡改堆栈空间达到之数,严重威胁应用程序的安。”

高飞狗:”对对对,我虽时有发生了这样的阅历。”

黛丝:”ITCM的出现,彻底解决了以上两只问题。ITCM就是CPU的贵人,归CPU专享、专用、私有、独占。我们拿堆储藏室空间布置在ITCM内,CPU就可以零等待、单周期、全速访问堆栈空间及勤用到的多寡对象,大大升级应用程序性能,且其中的数量不见面被其他总线Master篡改,大大升级了应用程序的安全性。”

高飞狗:”茅塞顿开!”

高飞狗:”除此之外,ITCM还有啊用?”

黛丝:”在错综复杂应用程序中,常常强频地、随机地发生各种中断。发生搁浅时,就要读取中断向量表(IVT),然后跳反到中断服务程序(ISR)。在CM7出现前,CPU应本着中断存在以下几单头疼的题目:”

黛丝:”Q1:IVT与于暂停代码的情理地址去(简称空距)通常比较远,需要吃多只机械周期才能够读取中断向量。”

黛丝:”Q2:而ISR与IVT的空距通常为比远,又用耗费多独机器周期才能够跨越反至ISR。”

黛丝:”于是,产生相同糟糕暂停,要消耗成千上万机周期才能够超越反执行到ISR。”

黛丝:”Q3:ISR返回到被中断代码又要消耗成千上万只机械周期。”

黛丝:”执行同样次ISR,花费在代码跳转上的辰接近不多。但是,高度频繁、随机产生的各种中断,将如CPU在程序跳反上淘极其巨大的时日。在千头万绪、实时性要求较高之以中,其代价还是要命惊人的。”

黛丝:”ITCM的出现,完美解决了上述3只问题。程序设计者可以人工地管IVT和ISR安排在平块连续地址空间内,在系统启动时以那个整个装ITCM中,由于CPU访问ITCM总是独自周期的,以上3独问题被的主次跳反均好但周期就,大幅提升了ISR的实时性能。”

 

高飞狗:”我记忆MCU内部通常都配起由适应实时加速器 (ART-Accelerator™),为什么还需ITCM来举行这项工作啊?”

黛丝:”在逐个读取连续存放的一声令下时,ART- Accelerator有醒目的涨价效果。而上述3只问题之情景,基本上是任意读取指令,也尽管是代码间的空距较远,ART- Accelerator的意义就算大打折扣,基本没什么提速作用,这多亏ART- Accelerator的短板,而ITCM的面世则大大提升了任性读取指令和数码的习性,补及了ART- Accelerator的短板。”

 

高飞狗:”我掌握了。”

高飞狗:”亲爱的,我发现,STM32H743的ITCM容量高及64KB,除了缓存IVT、ISR、堆栈空间之外,把全路RTOS缓存进去吧没有问题。如此,CPU就足以独占地、单周期看高频度用到的代码和多少,应用程序的性质提高幅度将是不行想像的。”

黛丝:”你要很懂事的! 比以前聪明多矣!”

高飞狗:”我晓得为什么要管ITCM的容量设计得这般可怜了。”

高飞狗:”CM7是32各中心,为何ITCM被规划也64个宽度?”

黛丝:”虽然CM7的平头运算能力多为32各,但为来微量64个整数运算指令与大度64员对精度浮点数运算指令,传送64位数据的需求还是多底,而且不少令需要同不成传送多只32各项数据,如下表所示,与32各总线宽度相比,64各之总线宽度可以节省50%的数额传送时间,性能提升是坏可观的。”

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:”听你称了这样多,胜读多年开。有接触累了咔嚓? 我为你泡杯咖啡,吃块巧克力如何?”

黛丝:”你倒反客为主了!还产生什么问题,一气问了,我还要出来干活为。”

高飞狗心想:”还这样狠心,一丝咸聊的机会都非让。”

高飞狗:”既然ITCM这么好,为什么还发了只ICache,又发啊用也? 总起种植既生高飞,何生黛丝的感到!”

黛丝:”巧言令色,看我无蹈好你!”

黛丝:”这还得看一个粗例子,才会说得清楚。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:”这段小程序来2独特色:

F1:3单函数顺序得到执行,在推行时达是邻的,简称时距相邻。

F2:3个函数的大体地址去非常远,简称空距很远。

 

因为空距很远,前一个函数执行了后,跳反执行到下一个函数,至少需花3单机器周期,循环的1浅实施费在跳转上的年月至少9独机械周期,循环的1亿赖执行相应的支出至少9亿只机械周期!

 

发矣ICache之后,情况大不相同。

ICache的特点是自行地管常去相邻之代码尽可能集中存放于和谐体内,而任由这些代码的空距有差不多远,且CPU以只周期看ICache。”

 

黛丝:”以上述小循环为例,在履行function1()期间,ICache会把function1()尽可能缓存在协调体内,在执行完毕一潮巡回后,如果3只函数的总容量不越ICache的容量,那么3独函数的上上下下代码都都缓存在ICache体内。从循环的第2不善实行起来,CPU只待访问ICache就足以履总体循环,不必还拜FLASH,所有指令的拿走都是仅周期的。前一个函数执行了后,跳反执行到下一个函数,只待1个机械周期,循环的1亿差实施费在函数跳反上之时空仅需要3亿独机器周期!”

黛丝:”通常,函数function1/2/3()还会见调用其它众多函数,函数之间的跳转切换数量要远多于如齐所说。只要容量足够大,ICache还见面拿吃function1/2/3()调用的其他函数通通缓存到体内,由此而省的推行时间远远大于如上所述。”

黛丝:”所以,ICache的优势是智能地、自动地拿经常去相邻而空距很远之代码段放置于体内,CPU因单独周期看这些代码,大大升级了次性能。”

黛丝:”而ITCM的优势是大妈提升了时距不相邻而空距相邻之代码段的施行性,且要人工地拿代码组织成空距相邻。”

高飞狗:”ICache会不会见缓存ITCM中之代码?”

黛丝:”由于CPU能够为只周期看ITCM中之全部内容,所以ITCM中之情未肯定缓存到ICache。在CPU硬件设计达到便管完成及时一点。所以,ICache中缓存的代码一定是ITCM之外的情。”

高飞狗:”ITCM和ICache还真各有所长。”

高飞狗:”你讲讲了这么多,我来总结一下,你看对莫对准。”

高飞狗:”结论1:ITCM既会缓存代码也克缓存数据,但用人工地把频繁执行的代码、IVT、ISR和库房空间连通(空距相邻),人为地装入其中。从而使CPU以单纯周期、独占方式访这些代码和数量,大幅升级应用程序的属性和安全性。”

高飞狗:”结论2:ICache只能缓存代码,但智能地、自动地用经常离相邻而空距很远的代码段放置于体内,CPU因单独周期看这些代码,大幅提升程序性能。”

高飞狗:”简而言之,ITCM和ICache是CPU的贴身护卫。”

黛丝:”概括得不行好。”

黛丝:”对于STM32H743,ITCM和ICache的总容量已上80KB,如果程序设计者精心安排,使得80%之年华CPU是于即时二者中实施顺序,应用程序的属性提升将会晤无限巨大。”

 

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

黛丝:”你还特别仔细的!ITCM也得存放数据,例如堆栈空间。所以,这个名词的确有点词不平易。”

 

高飞狗:”对了,CM7核心还新增了DCache部件。最近开了一些实验,涉及DMA传送,好像一启用DCache,数据读写及传递就起问题;只要禁用DCache,一切还正常。你可知无克为自己详细讲解一番?”

黛丝:”今天日不早了,我还得下干活,下次再说吧。”

高飞狗:”那自己呼吁吃晚餐,聊表谢意!”

黛丝:”饭和衰落就未了,你再次无挪窝自身便于跑了公!”

高飞狗:”这么狠心呀!那我就是未虚心了,先走一步了。”

“高飞的白鹭,黛丝的鹅,唐诗里出打,唐诗里发歌,唐诗是本人对你的剖白…”

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