RMW(Read-Modify-Write)对 STM32F7xx内核运行速度的影响

  Z: F0 C  v# ]8 u前言
在客户使用STM32F7xx（Cortex-M7内核）实际测试中，会发现同等主频下STM32F4xx（Cortex-M4）执行同样一段简单程序在时间上要快于STM32F7xx，这个会影响到客户切换到STM32F7xx的信心，也对ST以及ARM宣传上Cortex-M7内核执行时间远快于Cortex-M4内核的说法提出质疑，本文将针对具体案例说明这一情况的产生以及解决办法。
; a5 t8 I1 @$ a+ U

6 e' i! T) V, w+ R; V% @问题描述
客户测试复杂程序运行时间，比如同样180MHz主频下，STM32F7xx执行Coremark测试程序时间远小于STM32F4xx的执行时间；也就是STM32F7xx的性能更佳，运算执行效率更好。但当客户程序顺序执行程序，尤其是简单程序时发现STM32F7xx执行时间大于STM32F4xx的执行时间，比如运行下面的同样的测试代码，就有明显差距：

为方便量化时间，使用Timer2计数方式对这段时间进行计数，Timer2运行在90MHz，向上计数，Test_Counter数据用于输出计数数值，增加后代码如下：


通过上面的修改后测试下来，Test_Counter数据分别为：
9 N9 i' n; `+ }3 USTM32F446 数据为 1543
' Y4 g* ?# \& ySTM32F746 数据为 1836
如果使用Keil自带的States cycles计算方法得到如下数据，后面会按照这个来计算执行时间数据。
$ n" {' {2 E; \3 i" T  T; tSTM32F446 数据为 3009
! H$ x$ w  i; v" {# W! L2 j8 [STM32F746 数据为 3635
+ Y8 P  S9 L  u1 g- M: Y9 P

3 b5 T% e5 A( O% x产生上述问题的原因：
0 H* S1 z4 d- L) s6 m上面的测试都是在使用了Cache以及ART加速方法测得，如果针对STM32F7xx的性能优化可以参考AN4667 "STM32F7 Series system architecture and performance"这篇应用文档的描述，本例已经对文档描述部分做过优化，但问题依然是STM32F7xx速度慢于STM32F4xx。两颗芯片运行同样代码，比较两颗芯片汇编代码也是相同的：

* K# p  b0 `: T% m3 {通过查看ARM Cortex-M7内核文档发现下面描述：
" c9 Z2 ~# k8 z$ }7 U
. K5 }) k- u5 T1 e0 J反映到本例中发现定义的i数据为16-bit数据，同样也在汇编代码上发现了STRB这个汇编代码；这样在RMW（read-modify-write）机制下，当定义为byte以及half-word数据时将有一个先读取数据，修改后再写入数据的过程，这个读取-修改-写入的过程正是能够影响到内核执行效率的问题点，如果定义为32-bit就避免了这个问题的发生。
9 r# ^& w" _& O+ c; U9 K7 B
6 Y, Q5 B8 w7 \6 g, T* X/ k3 r& u! j问题解决
+ n1 C! S6 ~8 l0 c! J/ ?/ ?$ e7 ]2 m' h按照文档说明，我们将16-bit定义数据，改为32-bit的定义数据，即：
" ~: c! R& V$ }6 v8 M% V9 r# n

$ k5 m' T) ?( l9 w& e测试下来结果如下：
5 M+ I! L# y# A" |' b+ }- E7 qSTM32F446 数据为 2102
! k  W, c* Q2 t- V! y/ C4 oSTM32F746 数据为 1807
可以看到不管是STM32F4xx还是STM32F7xx，当数据定义为32-bit时都有显著的速度提升，当然STM32F7xx的提升更加明显，同样测试条件下STM32F7xx执行时间小于STM32F4xx的执行时间。

" ?3 Z5 |/ G; y$ ^; e9 A- b深入内核修改
因为32-bit数据定义会增加内存，并且有时候定义为byte或halfword更方便，还需要提升速度的话我们看到同样是内核文件给出的说明，可以将RMW机制屏蔽掉：
; E% w4 K, {% q, I
5 b/ h' B8 V- _& V8 `8 J实际上就是对CM7_ITCMCR寄存器的第1位写0， 即可以在程序中有下面的操作：

禁止RMW后测试下来数据如下：
* U  o4 i) B& s' K16-bit定义数据STM32F746 测试cycles数据为 3022
32-bit定义数据STM32F746 测试cycles数据为 1808
可以对比上面的测试数据也可以看到当禁止RMW后STM32F7xx性能也是优于STM32F4xx的。

: m2 ^" \; o& y, B, f1 ^6 L* s$ b3 m2 t具体测试数据如下：

6 M, x; t% a- s6 @! n9 c/ X
结论：
需要提升STM32F7xx执行时间，发挥出最大效能时，请参考AN4667，同时需要注意RMW对内核性能发挥的影响。
+ l5 U/ t. {: W! R8 \( ^  m
" q# d; y/ Y- r) U+ O


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