第 5 章 内存系统

Mark Walen大约 18 分钟

内存系统

内存系统特征概览

  • 预定义内存映射
  • 位带操作
  • 非对齐访问
  • 支持大小端配置

内存映射

预定义内存的好处：

  • 方便 CM3 单片机的移植；
  • 允许厂商灵活分配地址存储空间。

存储空间的一些位置用于调试组件等私有外设，这个地址段被称为“私有外设区”。私有外设区的组件包括 ：

  • 闪存地址重载及断点单元（FPB）
  • 数据观察点单元（DWT）
  • 仪器化跟踪宏单元（ITM）
  • 嵌入式跟踪红单元（ETM）
  • 跟踪端口接口单元（TPIU）
  • ROM 表
图 5.1 Cortex-M3 预定义的存储器映射
图 5.1 Cortex-M3 预定义的存储器映射

代码区

CM3 的地址空间是 4GB, 程序可以在代码区，内部 SRAM 区以及外部 RAM 区中执行。但是因为指令总线与数据总线是分开的，最理想的是把程序放到代码区，从而使取指和数据访问各自使用自己的总线，并行不悖 。

图 5.1.1 代码区
图 5.1.1 代码区

片上 SRAM

内部 SRAM 区的大小是 512MB，用于让芯片制造商连接片上的 SRAM，这个区通过系统总线来访问。

在这个区的下部，有一个 1MB 的区间，被称为“位带区”。该位带区还有一个对应的、 32MB 的“位带别名(alias)区”。位带区对应的是最低的 1MB 地址范围[0x20000000:0x20100000]，而位带别名区里面的每个字（一个字 32 位，4 字节）对应位带区的一个比特。访问位带区需要通过访问位带别名区进行访问，。位带操作只适用于数据访问，不适用于取指。

图 5.1.2 片上 sram 区
图 5.1.2 片上 sram 区

通过位带的功能，可以把多个布尔型数据打包在单一的字中，却依然可以从位带别名区中，像访问普通内存一样地使用它们。

位带别名区中的访问操作是原子的，消灭了传统的“读－改－写”三步曲。

片上外设

这个区中也有一条 32MB 的位带别名，以便于快捷地访问外设寄存器，用法与内部 SRAM 区中的位带相同。例如，可以方便地访问各种控制位和状态位。要注意的是，外设区内不允许执行指令。

图 5.1.3 片上外设区
图 5.1.3 片上外设区

片外 RAM 和 片外 RAM

两个 1GB 的范围，分别用于连接外部 RAM 和外部设备，它们之中没有位带。两者的区别在于外部 RAM 区允许执行指令，而外部设备区则不允许。

最后 0.5GB 的隐秘地带

包括了

  • 系统级组件

  • 内部私有外设总线

    • 嵌套向量中断控制器（NVIC）
    • 闪存地址重载及断点单元（FPB）
    • 仪器化跟踪宏单元（ITM）
    • 数据观察点单元（DWT）

  • 外部私有外设总线

    • 嵌入式跟踪红单元（ETM）
    • 跟踪端口接口单元（TPIU）

  • MCU 厂商定义的系统外设

私有外设总线有两条：

  • AHB 私有外设总线，只用于 CM3 内部的 AHB 外设，它们是： NVIC, FPB, DWT 和 ITM；
  • APB 私有外设总线，既用于 CM3 内部的 APB 设备，也用于外部设备（这里的“外部”是对内核而言）。

CM3 允许器件制造商再添加一些片上 APB 外设到 APB 私有总线上，它们通过 APB 接口来访问。

CM3 中的 MPU 是选配的，由芯片制造商决定是否配上。

内存访问属性

内存的 4 种访问属性：

  • 缓冲
  • 缓存
  • 执行
  • 共享

如果配了 MPU，则可以通过它配置不同的存储区，并且覆盖缺省的访问属性。 CM3 片内没有配备缓存，也没有缓存控制器，但是允许在外部添加缓存。

地址空间可以通过另一种方式分为 8 个 512MB 等份：

  1. 代码区（0x00000000- 0x1FFFFFFF）；
    • 可执行；
    • 缓存属性为不可缓存；
    • 此区亦允许布设数据存储器。在此区上的数据操作是通过数据总线接口的（估计读数据使用D-Code，写数据使用 System），且在此区上的写操作是缓冲的。
  2. SRAM 区（0x20000000 – 0x3FFFFFFF）；
    • 可执行；
    • 写操作是缓冲的，并且可以选择 WB-WA(Write Back, Write Allocated) 缓存属性。
  3. 片上外设区(0x40000000 – 0x5FFFFFFF) ；
    • 不可执行；
    • 不可缓存。
  4. 外部 RAM 区的前半段（0x60000000 - 0x7FFFFFFF），该区可用于布设片上 RAM 或片外 RAM ；
    • 可执行；
    • 可缓存（缓存属性为 WB-WA） 。
  5. 外部 RAM 区的后半段（0x80000000 – 0x9FFFFFFF）；
    • 可执行；
    • 不可缓存；
  6. 外部外设区的前半段(0xA0000000 – 0xBFFFFFFF) ；
    • 不可执行；
    • 不可缓冲，需要严格按顺序操作（用于片外外设的寄存器，也用于多核系统中的共享内存。）；
  7. 外部外设区的后半段(0xC0000000 – 0xDFFFFFFF) ，目前与前半段的功能完全一致 ；
  8. 系统区(0xE0000000 – 0xFFFFFFFF) ；
    • 此区是私有外设和供应商指定功能区。此区不可执行代码；
    • 系统区涉及到很多关键部位，因此访问都是严格序列化的（不可缓存，不可缓冲） ；
    • 供应商指定功能区则是可以缓存和缓冲的。

默认内存访问权限

CM3 有一个缺省的存储访问许可，它能防止使用户代码访问系统控制存储空间，保护 NVIC、 MPU 等关键部件。缺省访问许可在下列条件时生效：

  • 没有配备 MPU

  • 配备了 MPU，但是 MPU 被使能

图5.4.1 默认内存访问权限
图5.4.1 默认内存访问权限
图5.4.2 默认内存访问权限
图5.4.2 默认内存访问权限

位带操作

支持了位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在 CM3 中，有两个区中实现了位带。其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围，第二个则是片内外设区的最低 1MB 范围。

图 5.5.1 位带区与位带别名区的膨胀关系图 A
图 5.5.1 位带区与位带别名区的膨胀关系图 A

举例：欲设置地址 0x2000000 中的比特 2，则使用位带操作的设置过程如下图所示：

图 5.5.2 写数据到位带别名区
图 5.5.2 写数据到位带别名区
图 5.5.3 位带操作与普通操作的对比，在汇编程序的角度上
图 5.5.3 位带操作与普通操作的对比，在汇编程序的角度上
图 5.5.4 从位带别名区中读取比特
图 5.5.4 从位带别名区中读取比特
图 5.5.5 读取比特时传统方法与位带方法的比较
图 5.5.5 读取比特时传统方法与位带方法的比较

尽管 Cortex-M3 没有用于操作比特的特殊指令，访问被定义为 bit-band 的内存区域会被自动转换为 bit-band 操作。

CM3 使用如下术语来表示位带存储的相关地址

  • 位带区： 支持位带操作的地址区

  • 位带别名： 对别名地址的访问最终会变换成对位带区的访问（注意：这中途有一个地址映射过程）

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字——这是个只有 LSB 才有效的字。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。

  • 对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到 LSB，并把 LSB 返回。
  • 对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处，然后执行一个原子的“读－改－写”过程。

支持位带操作的两个内存区的范围是：

  • 0x20000000-0x200FFFFF（SRAM 区中的最低 1MB）

    对于 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：

    AliasAddre＝0x22000000+((A−0x20000000)×8+n)×4＝0x22000000+(A−0x20000000)×32+n×4\begin{aligned}AliasAddr&e\text{＝}\text{0x22000000}+((A-\text{0x20000000})\times8+n)\times4\\&\text{＝}\text{0x22000000}+(A-\text{0x20000000})\times32+n\times4\end{aligned}

  • 0x40000000-0x400FFFFF（片上外设区中的最低 1MB）

    对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：

    AliasAddr＝0x42000000+((A−0x40000000)×8+n)×4＝0x42000000+(A−0x40000000)×32+n×4\begin{aligned}AliasAddr &\text{＝} \text{0x42000000} + ((A-\text{0x40000000})\times8+n)\times4 \\&\text{＝} \text{0x42000000} + (A-\text{0x40000000})\times32 + n\times4\end{aligned}

上式中，“4”表示一个字为 4 个字节，“8”表示一个字节中有 8 个比特。

这里再不嫌啰嗦地举一个例子：

  1. 在地址 0x20000000 处写入 0x3355AACC

  2. 读取地址 0x22000008。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为 1。

  3. 往地址 0x22000008 处写 0。本次操作将被映射成对地址 0x20000000 的“读－改－写”操作（原子的），把比特 2 清 0。

  4. 现在再读取 0x20000000，将返回 0x3355AAC8（bit[2] 已清零）。

位带别名区的字只有 LSB 有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传送指令（字/半字/字节），都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

位带操作的优越性

位带操作有什么优越性呢？最容易想到的就是通过 GPIO 的管脚来单独控制每盏 LED 的点亮与熄灭。另一方面，也对操作串行接口器件提供了很大的方便 。

位带操作还能用来化简跳转的判断。当跳转依据是某个位时，以前必须这样做：

  • 读取整个寄存器
  • 掩蔽不需要的位
  • 比较并跳转

现在只需：

  • 从位带别名区读取状态位
  • 比较并跳转

使代码更简洁，这只是位带操作优越性的初等体现。位带操作还有一个重要的好处是在多任务中，用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。以前的读－改－写需要 3 条指令，导致这中间留有两个能被中断的空当。通过使用 CM3 的位带操作，就可以消灭上例中的紊乱危象。 CM3 把这个“读－改－写”做成一个硬件级别支持的原子操作，不能被中断。

其它数据长度上的位带操作

位带操作并不只限于以字为单位的传送。亦可以按半字和字节为单位传送。例如，可以使用LDRB/STRB 来以字节为长度单位去访问位带别名区，同理可用于 LDRH/STRH。但是不管用哪一个对子，都必须保证目标地址对齐到字的边界上。

在 C 语言中使用位带操作

不幸的是，在 C 编译器中并没有直接支持位带操作。比如， C 编译器并不知道同一块内存能够使用不同的地址来访问，也不知道对位带别名区的访问只对 LSB 有效。欲在 C 中使用位带操作，最简单的做法就是#define 一个位带别名区的地址。 例如：

#define DEVICE_REG0 ((volatile unsigned long *) (0x40000000))
#define DEVICE_REG0_BIT0 ((volatile unsigned long *) (0x42000000))
#define DEVICE_REG0_BIT1 ((volatile unsigned long *) (0x42000004))

*DEVICE_REG0 = 0xAB; 				// 使用正常地址访问寄存器
*DEVICE_REG0 = *DEVICE_REG0 | 0x2; 	// 使用传统方法设置 bit1
*DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1; 			// 通过位带别名地址设置 bit1

为简化位带操作，也可以定义一些宏。比如，我们可以建立一个把“位带地址＋位序号”转换成别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏：

//把“位带地址＋位序号”转换成别名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &
0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
//把该地址转换成一个指针
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (adr))
    
MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB; 						// 使用正常地址访问寄存器
MEM_ADDR(DEVICE_REG0)= MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; // 传统做法
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0,1)) = 0x1; 			// 使用位带别名地址

请注意：当使用位带功能时，要访问的变量必须用 volatile 来定义。因为 C 编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过 volatile，使得编译器每次都如实地把新数值写入存储器，而不再会出于优化的考虑，在中途使用寄存器来操作数据的复本，直到最后才把复本写回— —这会导致按不同的方式访问同一个位会得到不一致的结果。

非对齐数据传输

CM3 支持在单一的访问中使用非（地址）对齐的传送，数据存储器的访问无需对齐。在以前， ARM 处理器只允许对齐的数据传送。这种对齐是说：

  • 以字为单位的传送，其地址的最低两位必须是0；
  • 以半字为单位的传送，其地址的 LSB 必须是 0；
  • 以字节为单位的传送则无所谓对不对齐。

任何一个不能被 4 整除的地址都是非对齐的。而对于半字，任何不能被 2 整除的地址（也就是奇数地址）都是非对齐的。

在 CM3 中，非对齐的数据传送只发生在常规的数据传送指令中，如 LDR/LDRH/LDRSH。其它指令则不支持，包括：

  • 多个数据的加载/存储(LDM/STM)
  • 堆栈操作 PUSH/POP
  • 互斥访问 （LDREX/STREX）。如果非对齐会导致一个用法 fault。
  • 位带操作。因为只有 LSB 有效，非对齐的访问会导致不可预料的结果。

事实上，在内部是把非对齐的访问转换成若干个对齐的访问的，这种转换动作由处理器总线单元来完成。这个转换过程对程序员是透明的，因此写程序时不必操心。

但是，因为它通过若干个对齐的访问来实现一个非对齐的访问， 会需要更多的总线周期。为此，可以编程 NVIC，使之监督地址对齐。当发现非对齐访问时触发一个 fault。具体的办法是设置“配置控制寄存器”中的 UNALIGN_TRP 位。这样，在整个调试期间就可以保证非对齐访问能当场被发现。

互斥访问

细心的读者可能会发现， CM3 中没有类似“SWP”的指令。在传统的 ARM 处理器中， SWP 指令是实现互斥体所必需的。到了 CM3，由所谓的互斥访问取代了 SWP 指令，以实现更加老练的共享资源访问保护机制。

在新版的 ARM 处理器中，读/写访问往往使用不同的总线，导致 SWP 无法再保证操作的原子性，因为只有在同一条总线上的读/写能实现一个互锁的传送。

因此，互锁传送必须用另外的机制实现，这就引入了“互斥访问”。互斥访问的理念同 SWP 非常相似，不同点在于：在互斥访问操作下，允许互斥体所在的地址被其它总线 master 访问，也允许被其它运行在本机上的任务访问，但是 CM3能够“驳回”有可能导致竞态条件的互斥写操作。

互 斥 访 问 分 为 加 载 和 存 储 ， 相 应 的 指 令 对 子 为 LDREX/STREX, LDREXH/STREXH, LDREXB/STREXB，分别对应于字/半字/字节。为了介绍方便，以 LDREX/STREX 为例讲述它们的使用方式。

LDREX/STREX 的语法格式为：

  • LDREX Rxf, [Rn, #offset]
  • STREX Rd, Rxf, [Rn, #offset]

LDREX 的语法同 LDR 相同，而 STREX 则不同。 STREX 指令的执行是可以被“驳回”的：

  • 当处理器同意执行 STREX 时， Rxf 的值被存储到(Rn+offset)处，并且把 Rd 的值更新为 0；
  • 但若处理器驳回了 STREX 的执行，则不会发生存储动作，并且把 Rd 的值更新为 1。

注意

当遇到 STREX 指令时，仅当在它之前执行过 LDREX 指令，且在最近的一条 LDREX 指令执行后，没有执行过其它的 STR/STREX 指令，才允许执行本条 STREX 指令——也就是说只有在 LDREX 执行后，从时间上与之距离最近的一条 STREX 才能成功执行。

这种最严格的规则也是最容易实现的规则。在 CM3 的技术参考手册中，推荐实现者标记出一段有限的地址，只在这段地址中适用互斥访问的规则，而不要对所有 4GB 都限制住。这段地址通常是从 LDREX 指令族给出的地址开始，长度在 16 字节至 4K 字节范围内。但芯片制造商可能更倾向严格的规则。

在使用互斥访问时， LDREX/STREX 必须成对使用。

为什么这种有条件的驳回可以避免紊乱危象呢？让我们举个简单的例子来演示。这个例子由主程序和一个中断服务例程组成。主程序尝试对(R0)自增两次，中断服务例程则把(R0).5

置位。计(R0)的初始值为 0。

MainProgram
    ;第一次互斥自增
TryInc1st
    LDREX r2, [R0]
    ADD r2, #1
    ;执行到这里时，处理器接收到外中断 3 请求，于是转到其中断服务例程 ISREx3 中
    STREX R1, R2, [R0] ; STREX 被驳回， R1=1， (R0)=0x20
TryInc2nd
    ;第二次互斥自增
    LDREX r2, [R0]
    ADD r2, #1
    STREX R1, R2, [R0] ; STREX 得到执行， R1=0， (R0)=0x21
    …
ISREx3
    ;处理器已经自动把 R0-R3, R12, LR, PC, PSR 压入栈
    LDR R2, [R0]
    ORR R2, #0x20
    STR R2, [R0] ;在 ISREx3 中设置了(r0)的 Bit2
    BX LR ;返回时，处理器会自动把 R0-R3,R12,LR,PC,PSR 弹出堆栈

上例中，主程序在即将执行第一条 STREX 时，产生了外部中断#3。处理器打断主程序的执行，进入其服务例程 ISREx3，它对(R0)执行了一个写操作(STR)，因此在 ISRExt3 返回后， STREX 不再是 LDREX 执行后的第一条存储指令，故而被驳回。从而 ISREx3 对(R0)的改动就不会遭到破坏。随后主程序再次尝试自增运算，这一次在 STREX 执行前没有其它任何形式的存储指令，所有 STREX 成功执行。

如果主程序使用普通的 STR 会怎么样呢？对于第一次自增，主程序的 R2=1，于是执行后(R0)=1，结果，中断服务程序对(R0)的改动在此丢失！

LDREX/STREX 的工作原理其实很简单。仍然以上一段程序为例：当执行了 LDREX 后，处理器会在内部标记出一段地址。原则上，这段地址从 R0 开始，范围由芯片制造商定义。技术手册推荐的范围是在 4 字节至 4KB 之间，但是很多粗线条的实现会标记整个 4GB 的地址。在标记以后， 对于第一个执行到的 STR/STREX 指令，只要其存储的地址落在标记范围内，就会清除此标记（对于整个4GB 地址都被标记的情况，则任何存储指令都会清除此标记）。如果先后执行了两次 LDREX，则以后一个 LDREX 标记的地址为准。

执行 STREX 时，会先检查有没有做出过标记，如果有，还要检查存储地址是否落在标记范围内。只有通过了这两个关卡， STREX 才会执行。否则，就驳回 STREX。

当使用互斥访问时，在 CM3 总线接口上的内部写缓冲会被旁路，即使是 MPU 规定此区是可以缓冲的也不行。这保证了互斥体的更新总能在第一时间内完成，从而保证数据在各个总线主机(master)之间是一致的。 So 系统的设计师如果设计多核系统，则必须保证各核之间看到的数据也是一致的。

端模式

CM3 支持 both 小端模式和大端模式。在绝大多数情况下，基于 CM3 的单片机都使用小端模式— —为了避免不必要的麻烦，在这里推荐读者清一色地使用小端模式。

CM3 中对大端模式的定义还与 ARM7 的不同（小端的定义都是相同的）。在 ARM7 中，大端的方式被称为“字不变大端”，而在 CM3 中，使用的是“字节不变大端”。

请注意：在 AHB 总线上的 BE-8 模式下，数据字节 lane 的传送格式是与小端模式一致的。

在 CM3 中，是在复位时确定使用哪种端模式的，且运行时不得更改。

使用小端的情景：

  • 指令预取永远使用小端模式；
  • 在配置控制存储空间的访问也永远使用小端模式（包括 NVIC, FPB 等）；
  • 外部私有总线地址区 0xE0000000 至 0xE00FFFFF 也永远使用小端模式。
默认页脚
Copyright © 2024 Mark Walen