【经验分享】例说STM32F7高速缓存——Cache一致性问题（二）

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STMCU小助手发布时间：2021-12-13 23:15

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文章简介:	STM32F7 系列微控制器作为高性能微控制器，为我们带来了很多让人眼前一亮的新特性，其中之一就是独立的指令和数据高速缓冲存储器，也就是所谓的 L1-cache，包括 I-Cache 和 D-Cache。Cache 的大小根据不同型号有所差别，有 4Kbytes、8Kbytes 和 16Kbytes 几种容量。

2. STM32F7 新特性——高速缓存
2.1 STM32F7 的存储系统
STM32F7 系列微控制器作为高性能微控制器，为我们带来了很多让人眼前一亮的新特性，其中之一就是独立的指令和数据高速缓冲存储器，也就是所谓的 L1-cache，包括 I-Cache 和 D-Cache。Cache 的大小根据不同型号有所差别，有 4Kbytes、8Kbytes 和 16Kbytes 几种容量。

实际上，这个 Cache 是放在 Cortex 内核里面的，半导体厂商（比如 ST）购买 IP 核的时候可以选择要多大的 cache，之后这款 MCU 的 cache 就已经固定了。这有点像我们去 4S 店买车，根据自身的需求和资金情况选择不同的配置。显然，cache 的容量越大，价格也就越高。本文所使用的 STM32F769I-DISCO 包含 16Kbytes 的 I-Cache 和 D-Cache。

上图是 STM32F7 系列微控制器的系统架构框图，我们可以看到在 Cortex-M7 内核里面有一个 I-Cache 和一个 D-Cache，它们是实实在在的高速存储器。而 DTCM 和 ITCM 则是两个接口，对应 Data TCM 和 Instruction TCM，它们有利于数据和指令的快速读取，可实现内嵌 Flash 的零时延数据读取。但是要注意 TCM 接口是不经过缓存的！

上图的 F7 框图，包含 1 MB Flash 和 320 KB SRAM，其中的 320 KB 的 SRAM 是分离的，它包括 64 KB 的 DTCM RAM、240 KB SRAM1 以及 16 KB SRAM2，而 16 KB 的 ITCM RAM 和 4 KB 的备份 RAM 并不包含在内。

这几个 SRAM 的关系，我们来看下面这个图就比较明白了。

可以看到，DTCM RAM、SRAM1 和 SRAM2 在地址映射上是连续的，比如从 0x20000000 到 0x2007FFFF。

我们还可以看到内嵌的 Flash 有两种接口，分别是 AXIM 和 ITCM 接口，对应于地址 0x08000000 和 0x00200000。那怎么通过不同的接口操作 Flash 呢？——只要操作对应的地址即可。

2.2 Cache 的组织
在前面我们说过，绝大多数控制器的 Cache 都是采用组关联（set-associative）的映射方式，STM32F7 当然也不例外。那么，F7 的 Cache 是如何组织的呢？

通过文档 AN4839，我们可以了解到：

// 第5页
A cache is normally implemented using sets of lines where a line is just a short segment of memory. The number of lines in a set is called x-way associative. This property is set in the hardware design.

// 第6页
The L1-caches on all Cortex®-M7s are divided into lines of 32 bytes. Each line is tagged with an address. The data cache is 4-way set associative (four lines per set) and the instruction cache is 2-way set associative. This is a hardware compromise to keep from having to tag each line with an address.

也就是说，D-Cache 和 I-Cache 的块大小（cache line）为 32 bytes，采用组关联映射方式。对于 D-Cache，每组（set）包含 4 个缓冲行（line）；对于 I-Cache，每组（set）包含 2 个缓冲行（line）。

以 16 KBytes 的 D-Cache 来计算，一共 512 个缓冲行（lines），128 个组（sets），每组包含 4 个 line，每个 line 包含 8 个字，也就是 32 个字节。

2.3 存储器默认映射和属性
STM32F7 系列微控制器的存储器的默认映射和属性如下图所示。

“默认”的意思就是如果没有启动 MPU，并且没有对某些特殊寄存器进行配置，那么存储器的映射地址及其属性就如上图所示。

其中，WT 表示 Write-through（透写），WB 表示 Write-back（回写），WA 表示 Write-allocate（写分配），没有明确标注 WA 的就是 RA（读分配）。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。

存储器类型为 Normal 的才能使用 cache，并且 TCM 接口是 not cacheable 的。

当然，这只是默认值，部分存储器地址映射和属性是可以通过 MPU 来配置的。

选取几个有特点的区域稍微讲解一下吧：

0x00000000~0x1FFFFFFF：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。

0x20000000~0x3FFFFFFF：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。

0x40000000~0x5FFFFFFFF：芯片内部的外设空间，属性为 device，这一区域是外设寄存器所处的位置，对其读写的过程中不会经过 cache。

2.4 CMSIS 函数
前面说了那么多，我自己都有点晕了。。。对于用户来说，如何正确使用 Cache 才是关键！

下面这张图是在文档 PM0253 中截取的，Cache 相关操作的函数在 cmsis/include/core_cm7.h 头文件中声明。从函数名中可以知道，包括四种 cache 操作：enable、disable、clean 和 invalidate。

查看源代码发现，除了表中的8个函数，还有以下3个函数（都是以 _by_Addr 结尾）：

void SCB_InvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr, int32_t dsize);
6 v" p2 c, W: \6 F
2 D% l/ }1 p8 [$ j7 B0 d
void SCB_CleanDCache_by_Addr(uint32_t *addr, int32_t dsize);. l' V# y0 ^* w% H" f( R1 Z! t
$ f: F, d" x6 M$ y) [+ l
void SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr, int32_t dsize);

复制代码

好，那下面我们一一来了解这些函数吧。

SCB_EnableICache() 和 SCB_EnableDCache()

使能 I-cache 或 D-cache。

SCB_DisableICache() 和 SCB_DisableDCache()

禁用 I-cache 或 D-cache。

SCB_InvalidateICache()

使 I-cache 无效，I-cache 被 invalidate 之后，当读取指令时，会忽略相应的 cache-line 中的内容（因为被 validate 了），而从真实的物理地址中去获取相应的指令。

SCB_InvalidateDCache()
使 D-cache 无效，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。
4 P6 }7 `! X% z9 {3 _: O8 [
SCB_InvalidateDCache_by_Addr()
根据地址信息无效其对应的 cache-line。

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。
8 j% B! h, @, K( K# [5 ]
SCB_CleanDCache_by_Addr()
根据地址信息 clean 其对应的 cache-line。

SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr()
根据地址信息 clean 并 invalidate 其对应的 cache-line。