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例說STM32F7快取記憶體——Cache一致性問題（三）

阿新 • • 發佈：2019-01-04

3. Cache 一致性問題

3.1 什麼是 cache 一致性問題

　　所謂的 Cache 一致性問題， 主要指的是由於 D-cache 存在時，表現在有多個 Host（典型的如 MCU 的 Core， DMA 等）訪問同一塊記憶體時， 由於資料會快取在 D-cache 中而沒有更新實際的實體記憶體。
　　在實際應用中，有以下兩種情況：
　　第一種情況是當有寫實體記憶體的指令時，Core 會先去更新相應的 cache-line（Write-back 策略），在沒有 clean 的情況下，會導致其對應的實際實體記憶體中的資料並沒有被更新，如果這個時候有其它的 Host（如 DMA）訪問這段記憶體時，就會出現問題（由於實際實體記憶體並未被更新，和 D-cache 中的不一致），這就是所謂的 cache 一致性的問題。

這裡寫圖片描述

圖3.1 Cache 一致性問題 第1種情況

　　第二種情況是 DMA 更新了某段實體記憶體（DMA 和 cache 直接沒有直接通道），而這個時候 Core 再讀取這段記憶體的時候，由於相對應地址的 cache-line 沒有被 invalidate，導致 Core 讀到的是 cache-line 中的資料，而非被 DMA 更新過的實際實體記憶體的資料。

這裡寫圖片描述

圖3.2 Cache 一致性問題 第2種情況

3.2 如何處理 cache 一致性問題

　　我們知道，Cache 機制是為了提高儲存系統的平均讀寫效能而設計的，但是這種機制帶來了資料一致性問題，然而，卻沒有對一致性的硬體支援

。
　　因此為了解決一致性問題，一個辦法就是禁用 Cache（cache 都禁用了，肯定不會有 cache 一致性的問題啦~）。但是如果你選擇使用 STM32F7 這樣高效能的微控制器，又不使用其帶來的高效能特性，那你為什麼要用 F7 呢，用 F3、F4 不就得了麼？所以為了提高效能，還是使能 cache，並積極解決 cache 一致性問題吧。
　　好吧，解決 STM32F7 的 cache 一致性問題，有兩種可選方案：

　　所有的共享儲存器都定義為共享屬性
　　　　• 這些區域將預設不被快取到 D-Cache。
　　　　• 所有的操作都直接針對二級儲存器（內部Flash，外部儲存器），效能降低。
　　　　• 因為快取對這些區域是透明的，寫軟體更容易。
　　
　　通過軟體進行cache的維護


　　（1）Cortex-M7 的寫操作要是全域性可見的
　　　　• 使用透寫屬性（通過 MPU 設定）。
　　　　• 使用 [email protected]（Shared = Write Through）。
　　　　• 通過指令清 D-cache，然後所有更新位置禁止 D-Cache操作。
　　（2）其他主裝置的寫操作要對 Cortex-M7 可見
　　　　• 比如作廢 Cortex-M7 Dache 中資料。

3.3 示例

3.3.1 程式描述

　　（1）首先將地址 0x20020000（SRAM1）處開始的 128 位元組初始化為 0x55。
　　（2）將 Flash 中的 128 位元組的常量陣列 aSRC_Const_Buffer 拷貝到 SRAM1 地址 0x20020000（pBuffer）。
　　（3）配置並使能 DMA，通過 DMA 將資料從 SRAM1 的地址 0x20020000 處拷貝到 DTCM RAM 中的陣列 aDST_Buffer 中。
　　（4）將 Flash 中的陣列 aSRC_Const_Buffer 與 DMA 讀出的陣列 aDST_Buffer 進行比較。

　　顯然，這個例子中的 cache 一致性問題， 展示的是上面（圖3.1）的第一種情況。也就是在 Write-back 策略下，CPU 先去更新相應的 cache-line，然後 DMA 去訪問對應的記憶體，從而導致資料不一致的現象。
　　程資料的傳輸流程和路徑如下圖所示：

這裡寫圖片描述

圖3.3 Cache 示例資料傳輸框圖

3.3.2 復現 cache 一致性問題

　　我們先來按照示例要求編寫程式碼，復現 cache 一致性問題。有些人可能會疑惑，變數資料怎麼放到 Flash、SRAM1、DTCM？實際上，可以通過一些相關的配置檔案進行設定，比如 icf 檔案、scatter 檔案等，當然，這跟所使用開發環境和編譯工具鏈有關。
　　本文所使用的環境是 IAR，其連結檔案 *.icf 如下：

這裡寫圖片描述

　　然後將 aSRC_Const_Buffer 陣列定義為常量，即可分配到 RO 區域，aDST_Buffer 定義為普通的全域性變數或靜態變數即可，因為記憶體區域從 0x20000000 開始，也就是 DTCM RAM。
　　好了，程式碼主體部分如下：
　　（完整的程式碼可以在 http://download.csdn.net/download/luckydarcy/10104739 下載）

#define SRAM1_ADDRESS_START   (0x20020000UL)

static const uint32_t aSRC_Const_Buffer[BUFFER_SIZE] =
{
  0x01020304, 0x05060708, 0x090A0B0C, 0x0D0E0F10,
  0x11121314, 0x15161718, 0x191A1B1C, 0x1D1E1F20,
  0x21222324, 0x25262728, 0x292A2B2C, 0x2D2E2F30,
  0x31323334, 0x35363738, 0x393A3B3C, 0x3D3E3F40,
  0x41424344, 0x45464748, 0x494A4B4C, 0x4D4E4F50,
  0x51525354, 0x55565758, 0x595A5B5C, 0x5D5E5F60,
  0x61626364, 0x65666768, 0x696A6B6C, 0x6D6E6F70,
  0x71727374, 0x75767778, 0x797A7B7C, 0x7D7E7F80
};

static uint32_t aDST_Buffer[BUFFER_SIZE];

int main(void)
{
  uint32_t counter = 0;
  uint32_t *pBuffer = (uint32_t*)SRAM1_ADDRESS_START;

  if (HAL_Init() != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* Initialize LEDs */
  BSP_LED_Init(LED1);

  /* Configure the system clock to 216 MHz */
  SystemClock_Config();
  BSP_LCD_Config();

  /* Set to 1 if an transfer error is detected */
  transferErrorDetected = 0;

  /* Fill 128 bytes with 0x55 pattern */
  memset((uint8_t*)SRAM1_ADDRESS_START, 0x55, sizeof(aSRC_Const_Buffer));

  /* TODO:Enable MPU and change SRAM region attribute 
  * set write-back policy on SRAM */
  MPU_Config();

  /* Enable Data cache */
  SCB_EnableDCache();

  /* Copy data from Flash to SRAM by CPU */
  for (counter = 0; counter < (sizeof(aSRC_Const_Buffer)/4); counter++)
  {
    *pBuffer++ = aSRC_Const_Buffer[counter];
  }

  //* Configure and enable the DMA stream for Memory to Memory transfer */
  DMA_Config();

  /* Wait for DMA end-of-transfer */

  while(TransferCompleteFlag == RESET)
  {
  }

  /* Check data integrity*/
  pBuffer = (uint32_t*)&aDST_Buffer;
  for(counter = 0; counter <(sizeof(aSRC_Const_Buffer)/4); counter++)
  {

    if(aSRC_Const_Buffer[counter] != *pBuffer)
    {
    compareErrorDetected++;
    }
    pBuffer++;
  }

  if (compareErrorDetected != 0)
  {
      /* Toggle LED1 */
      BSP_LED_Off(LED1);
      compareErrorDetected = 0; 
      BSP_LCD_DisplayStringAtLine(10, (uint8_t *)"       Data comparation failed!      ");
  }
  else
  {
      /* Turn LED1 on */
      BSP_LED_On(LED1);
      BSP_LCD_DisplayStringAtLine(10, (uint8_t *)"       Data comparation success!      ");
  }

  while (1)
  {

  }
}

static void MPU_Config(void)
{
  /* Disable MPU */
  MPU->CTRL &= ~MPU_CTRL_ENABLE_Msk;

  /* Configure RAM region as Region N°0, 256kB of size and R/W region */
  MPU->RNR  = SRAM1_REGION_NUMBER;
  MPU->RBAR = SRAM1_ADDRESS_START;

   /* Write-Back policy */
  MPU->RASR = SRAM1_SIZE | MPU_RASR_C_Msk | MPU_RASR_B_Msk | SRAM1_ACCESS_PERMISSION | 1<<MPU_RASR_TEX_Pos;

  /* Enable MPU */
  MPU->CTRL |= MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk | MPU_CTRL_ENABLE_Msk;
}

　　為了確保 aSRC_Const_Buffer 在 Flash，aDST_Buffer 在 DTCM，我們可以在編譯完之後檢視 *.map 檔案，如下：

這裡寫圖片描述

圖3.4 檢查常量和變數分配情況

　　下載到 STM32F769I-DISCO 板子上，顯然，由於此時開啟了 D-Cache，會出現資料不一致的現象，執行結果如下所示：

這裡寫圖片描述

圖3.5 Cache 資料不一致

3.3.3 解決方案

（1）不啟動 D-Cache

　　註釋掉 SCB_EnableDCache();
　　不啟動 D-Cache，當然也就沒有了 Cache 資料不一致的問題啦~

（2）將 SRAM1 相應區域設定為 shareable

　　通過 MPU 將 SRAM1 相應區域設定為 shareable，MPU_Config() 函式處理如下：

static void MPU_Config(void)
{
  /* Disable MPU */
  MPU->CTRL &= ~MPU_CTRL_ENABLE_Msk;

  /* Configure RAM region as Region N°0, 256kB of size and R/W region */
  MPU->RNR  = SRAM1_REGION_NUMBER;
  MPU->RBAR = SRAM1_ADDRESS_START;

  /* Shareable */
  MPU->RASR = SRAM1_SIZE | MPU_RASR_S_Msk | SRAM1_ACCESS_PERMISSION;

  /* Enable MPU */
  MPU->CTRL |= MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk | MPU_CTRL_ENABLE_Msk;
}

（3）DMA 訪問 SRAM1 前先 Clean cache

　　在啟動 DMA 訪問之前，程式設計師需要在合適的地方將 D-Cache 資料回寫到主記憶體中，也就是 Clean 的操作。
　　在本示例中，可以在 DMA_Config(); 前呼叫：

SCB_CleanDCache();

或者

SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)SRAM1_ADDRESS_START, sizeof(aSRC_Const_Buffer));

（4）將 SRAM1 相應區域設定為 Write-through 策略

　　通過 MPU 將 SRAM1 相應區域設定為透寫模式（Write-through），MPU_Config() 函式處理如下：

static void MPU_Config(void)
{
  /* Disable MPU */
  MPU->CTRL &= ~MPU_CTRL_ENABLE_Msk;

  /* Configure RAM region as Region N°0, 256kB of size and R/W region */
  MPU->RNR  = SRAM1_REGION_NUMBER;
  MPU->RBAR = SRAM1_ADDRESS_START;

  /*Write Through policy*/
  MPU->RASR = SRAM1_SIZE | MPU_RASR_C_Msk | SRAM1_ACCESS_PERMISSION;

  /* Enable MPU */
  MPU->CTRL |= MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk | MPU_CTRL_ENABLE_Msk;
}

（5）將所有 cacheable 的空間全部強制 Write-though

　　通過 cache 控制暫存器，將所有 cacheable 的空間全部強制 Write-though 模式。

這裡寫圖片描述

圖3.6 CACR 暫存器（來自 PM0253）

　　在初始化的時候進行設定：

__FORCE_WRITE_THROUGH();

　　巨集定義為：

#define __FORCE_WRITE_THROUGH()    *(__IO uint32_t *)0xE000EF9C = 1UL<<2

　　以上這是都是較為常用的方法，在實際的開發過程中，為了提高效能，一般都會開啟 cache，同時將其配置為 WB 策略，這就需要開發者在使用時特別小心！
　　值得一提的是：對於第二種情況（圖3.2），就不是 clean 操作了，而是 invalidate。需要先呼叫 SCB_InvalidateDCache() 或 SCB_InvalidateDCache_by_Addr() 去 invalidate 相應的 cache-line， 這樣當 CPU 在讀取時，會忽略 D-cache 中的內容，去真實的實體地址讀取對應的資料。

這裡寫圖片描述

圖3.7 Cache 資料一致

　　好啦，通過上述幾種方法，就可以解決 cache 資料一致性問題。當然，除了我這裡提供的，還有其他方案，各種方案各有利弊，要根據實際應用場景去衡量，這就是嵌入式程式設計師展示才華的時候啦~

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