【实战经验】STM32F7 MPU Cache浅析

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zero99 发布时间：2017-3-3 14:54

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前言
本文会从结构，原理以及应用方面对MPU和Cache进行分析，主要目的是希望读者对Cache有基本的了解，在具体的实际应用中，使用带有一级cache的MCU时，避免常见的错误。

Cache介绍

Cache及其原理
Cache，高速缓存，一般指的是L1 cache，即和Core紧耦合的，从STM32F7系列开始，
基于ARM cortex-M7内核，增加了对L1 Cache的支持。

从这张图片可以看出来，无论是指令Cache(I-cache)还是数据Cache(D-cache)，一旦使能之后，就分别与Core的prefetch unit(I-cache)和load-store unit(D-cache)相连，以D-cache为例，因为
直接与LSU相连，访问速度会比直接访问SRAM或外部RAM快很多，只要保证cache有足够高的命中率(由cache策略保证)，尽量少的cache miss，读/写的速度会有比较大的提高。

结构及策略
同样这里以D-cache为例，看一下D-cache的构成：

包括Address和cache-line，Address表明其地址，对应一条包含32bytes的cache-line：
读数据时，当地址命中时即cache-hit，便可以直接从cache line中取出相应的数据，反之，当遍历了address都没有找到，就会产生cache-miss，这时便会从实际的内存单元(如SRAM)中取出相应的数据，并更新到某一条cache-line中并修改相应的cache-line信息；
写数据时，就有点不同了，包括write-through策略和write-back策略，当使用write-though策略时，更新cache-line的同时，同样会更新其对应的实际物理地址的区域，当采用write-back策略时，更cache-line的同时，并不是马上去更新其对应的实际物理地址的内容，而是在其认为合适或者所有的cache-line都dirty的时候才会去更新，当然，也可以通过软件让其强制更新，即clean的动作，这一块会在后面的cache一致性问题上也会有体现；
同样，对于为什么将cache拆分为2-way或是4-way，这和cache自身的策略如查找算法等相关，由于本文侧重讨论cache的应用相关问题，所以关于cache本身的策略这里不再详述。

Cache及MPU属性
这里需要注意的是，cache一般是配合MPU(memory protection unit)一起使用的，首先需要通过MPU配置相应memory的属性(normal, strongly-ordered, device, XN etc.)，如下表所示：

选取几个有特点的作为示例：
0~0x1FFF_FFFF: flash空间，属性为normal，cache的属性为Write-through，即更新cache的同时，将数据同时写入相应的物理地址空间
0x2000_0000~0x3FFF_FFFF: SRAM空间，属性为normal，cache的属性为write-back，即仅更新cache，在合适的时候(由cache策略决定或者软件强制更新)将数据更新到相应的SRAM空间
0x4000_0000~0x5FFFF_FFFF: 芯片内部的外设空间，属性为device，这一版是外设寄存器所处的位置，对其读写的过程中不会经过cache

XN的意思是Execute-Never，其含义为如果相应的地址空间是XN，是绝不允许执行代码的。

Cache相关函数及作用
这里以core_cm7.h里对cache封装的函数为例
(C:\Program Files (x86)\IAR Systems\Embedded Workbench 7.2\arm\CMSIS\Include)
SCB_EnableDCache
## 使能D-cache

SCB_DisableDCache
## 禁用D-cache

SCB_EnableICache
## 使能I-cache

SCB_DisableICache
## 禁用I-cache

SCB_CleanDCache
## Clean所有的cache-line，即将dirty的cache-line全部写到cache line对应的真实的物理地址中所谓的drity属性，即写操作时，更新了相应的cache-line，但是没有更新到真实的物理地址，而这个clean的动作，就是将cache中的内容更新到真实的物理地址中

SCB_CleanDCache_by_Addr
## 根据地址信息clean其对应的cache-line

SCB_InvalidateDCache
## 无效D-cache，D-cache被invalidate之后，当有Host(如core，DMA等)读取数据时，会忽略相应的cache-line中的内容（因为被validate了），从真实的物理地址中去获取相应的数据

SCB_InvalidateDCache_by_Addr
## 根据地址信息无效其对应的cache-line

Cache一致性问题
所谓的Cache一致性问题，主要指的是由于D-cache存在时，表现在有多个Host（典型的如MCU的core，DMA等）访问同一块内存时，由于数据会缓存在D-cache中而没有更新实际的物理内存。
第一种情况是当有写物理内存的指令时，core会先去更新相应的cache-line(Write-back策略)，在没有clean的情况下，会导致其对应的实际物理内存中的数据并没有被更新，如果这个时候有其它的Host（如DMA）访问这段内存时，就会出现问题（由于实际物理内存并未被更新，和D-cache中的不一致），这就是所谓的cache一致性的问题！

第二种情况是DMA更新了某段物理内存（DMA和cache直接没有直接通道），而这个时候Core再读取这段内存的时候，由于相对应地址的cache-line没有被invalidate，导致Core读到的是cache-line中的数据，而非被DMA更新过的实际物理内存的数据，下面这张图比较清晰的展示了上述两个过程：
 ●第一种情况

 ●第二种情况

下面以一个实例来分析cache一致性问题，展示的是上面的第一种情况，如下图所示：

先看一下这个例程数据的传输流程和路径：
● SRAM1_Buffer先全部写入0x55
●Core将Flash中的Const_Buffer写入SRAM1_Buffer（这里会先经过d-cache）
● 配置DMA，将SRAM1_Buffer中的数据通过DMA写入另一段内存DTCM_Buffer
● 比较DTCM_Buffer中的数据和Flash中的Const_Buffer数据，看是否一致

代码示例如下： 
●MPU对memory的配置 - - - - step1

重点介绍一下高亮部分的配置：
● BaseAddress为要配置的存储空间的起始地址；
● Size为要配置的存储空间的大小
● IsCacheable表明这段存储空间是否可以cache
● IsBufferable表明使能cache之后，策略是write-through还是write-back(bufferable)
这里需要特别注意的1点：配置的BaseAddress需要被Size整除，以上述配置为例，即0x20010000除以256K需要是整数！

● 使能Cache - - - - step2

● 初始化SRAM1_Buffer为0x55 - - - - step3 
● Copy Flash中的Const_Buffer到SRAM1_Buffer - - - - step4 
● 配置DMA，将SRAM1_Buffer写入DTCM_Buffer - - - - step5 
● 比较DTCM_Buffer和Const_Buffer，看是否一致 - - - - step6
从结果上看，最后一步比较的结果并不一致，原因比较简单，由于设定的WB策略，所以在step4的时候，数据会暂存在D-cache当中，并没有更新到SRAM1_Buffer，所以当SRAM1_Buffer被DMA拷到DTCM_Buffer中的时候，有一部分可能还是初始值，导致最终的比较不一样，而解决的方法有以下几个：
1. MPU配置的代码，将属性改为MPU_ACCESS_BUFFERABLE，即使用write-though策略
2. 通过cache控制寄存器，将所有cacheable的空间全部强制write-though

3. 将dirty cache-line更新到真实的物理地址中
在step5操作之前，先调用SCB_CleanDCache或SCB_CleanDCache_by_Addr将相应cache-line中的数据写入SRAM1_Buffer，就解决了这个问题！

这是最常用的方法，在实际的开发过程中，为了提高性能，一般都会使能cache，同时将其配置为WB策略，这就需要开发者在使用时特别小心！同样如之前的第二种情况，需要先调用SCB_InvalidateDCache或SCB_InvalidateDCache_by_Addr去Invalidate相应的cache-line，这样当core在读取时，会忽略D-cache中的内容，去真实的物理地址读取对应的数据！

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