Cortext-M3系统：储存器系统（2）

1、存储系统功能概览

Cortext-M3储存器有如下特点：

        存储器映射是预定义的，并且还规定好了哪个位置使用哪条总线。

        存储器系统支持所谓的“位带”（bit-band）操作。通过它，实现了对单一比特的原子操作，位带操作仅适用于一些特殊的存储器区域中。

        存储器系统支持非对齐访问和互斥访问。

        存储器系统小端配置和大端配置均支持。

2、存储器映射

        M3内核只有一个单一固定的存储器映射，地址空间大小是4GB，M3内核允许芯片制造商灵活地分配存储器空间。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) ​ 、嵌入式跟踪宏单元(ETM) ​ 、跟踪端口接口单元(TPIU) ​、ROM表。

        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。

        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32 MB的“位带别名(alias)区”，容纳了8M个“位变量”。位带区对应的是最低的1MB地址范围，而位带别名区里面的每个字对应位带区的一个比特。位带操作只适用于数据访问，不适用于取指。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。

        地址空间的另一个512MB范围由片上外设寄存器使用。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。 ​ 还有两个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。

        最后还剩下0.5GB的空间，包括了系统级组件，内部私有外设总线，外部私有外设总线，以及由芯片厂家定义的系统外设。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。 ​ NVIC所处的区域叫做“系统控制空间（SCS）”，在SCS里的除了NVIC外，还有SysTick、MPU以及代码调试控制所用的寄存器。

        最后，未用的提供商指定区也通过系统总线来访问，但是不允许在其中执行指令。M3内核中的MPU是选配的，由芯片制造商决定是否配上。

3、存储器的各种访问属性

        M3在定义了存储器映射之外，还为存储器的访问规定了4种属性，分别是：可否缓冲(Bufferable)、可否缓存(Cacheable)、可否执行(Executable)、可否共享(Sharable)

        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。通常，如果提供了外部内存，芯片制造商还要附加一个内存控制器，它可以根据可否缓存的设置，来管理对片内和片外RAM的访问操作。

        地址空间可以通过另一种方式分为8个512MB等份：

1、代码区（0x0000_0000-0x1FFF_FFFF）

        该区是可以执行指令的，缓存属性为WT（“写通”，Write Through），即不可以缓存。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（0x2000_0000–0x3FFF_FFFF）

        此区用于片内SRAM，写操作是缓冲的，并且可以选择WB-WA(Write Back, Write Allocated)缓存属性。此区亦可以执行指令，以允许把代码拷贝到内存中执行——常用于固件升级等维护工作。

3、片上外设区(0x4000_0000–0x5FFF_FFFF)

        该区用于片上外设，因此是不可缓存的，也不可以在此区执行指令（这也称为eXecute Never, XN。ARM的参考手册大量使用此术语）。

4、外部RAM区的前半段（0x6000_0000-0x7FFF_FFFF）

        该区可用于布设片上RAM或片外RAM，可缓存（缓存属性为WB-WA），并且可以执行指令。

5、外部RAM区的后半段（0x8000_0000–0x9FFF_FFFF）

        除了不可缓存(WT)外，同前半段。 ​ 6、外部外设区的前半段(0xA000_0000–0xBFFF_FFFF)。用于片外外设的寄存器，也用于多核系统中的共享内存（需要严格按顺序操作，即不可缓冲）。该区也是个不可执行区。

7、外部外设区的后半段(0xC000_0000–0xDFFF_FFFF)

        目前与前半段的功能完全一致。 ​ 8、外统区(0xE000_0000–0xFFFF_FFFF)。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）。而供应商指定功能区则是可以缓存和缓冲的。

注：这里解释下写回、写通、写时分配三者的区别

        写回（Write Back）：写入的数据先逗留在缓存中，待到必要时再落实到最终内存中，这也是cache的最基本职能，用于改善数据传送的效率，减少对访问主存储器的访问操作。

        写通（Write Through)：写操作“穿透”中间的缓存，直接落入最终的存储器目的地址中。可见，写通操作架空了cache，但它使写操作的结果立即生效。这常用于和片上外设或其它处理器共享的内存中，如显卡的显存，片上外设寄存器，以及双核系统中的共享内存。写通操作和C中的“volatile”可以配合使用——带volatile属性的变量往往放到写通型地址区间中。

        写时申请：写入时若是miss，则先把写入的数据存入缓存中，再通过flush方式写入内存。

4、存储器的缺省访问许可

        M3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被除能 如果启用了MPU，则MPU可以在地址空间中划出若干个regions，并为不同的region规定不同的访问许可权限。当一个用户级访问被阻止时，会立即产生一个总线fault。储存器的缺省访问许可如图所示。

5、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。这两个位带中的地址除了可以像普通的RAM一样使用外，它们还都有自己的“位带别名区”，位带别名区把每个比特膨胀成一个32位的字。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。位带区与位带别名区的膨胀关系图。

 6、非对齐数据传送

        M3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。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。事实上，节省内存有很多方法，但没有一个是通过压缩数据的地址，不惜破坏对齐性的这种旁门左道。因此，应养成好习惯，总是保证地址对齐，这也是让程序可以移植到其它ARM芯片上的必要条件。

        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。

7、互斥访问

        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。 互斥体在多任务环境中使用，也在中断服务例程和主程序之间使用，用于给任务申请共享资源（如一块共享内存）。在某个（排他型）共享资源被一个任务拥有后，直到这个任务释放它之前，其它任务是不得再访问它的。为建立一个互斥体，需要定义一个标志变量，用来指示其对应的共享资源是否已经被某任务拥有。当另一个任务欲取得此共享资源时，它要先检查这个互斥体，以获知共享资源是否无人使用。在传统的ARM处理器中，这种检查操作是通过SWP指令来实现的。SWP保证互斥体检查是原子操作的，从而避免了一个共享资源同时被两个任务占有（这是紊乱危象的一种常见表现形式）。

        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的语法同LDR相同，这里不再赘述。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。

        其实，奥妙就在于这个“驳回”的规则上。规则可宽可严，最严格的规则是：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。 其它情况下，驳回此STREX。包括：中途有其它的STR指令执行、中途有其它的STREX指令执行。 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。

        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。

8、端模式

        CM3支持小端模式和大端模式。但是，单片机其它部分的设计，包括总线的连接，内存控制器以及外设的性质等，也共同决定可以支持的内存类型。所以在设计软件之前，一定要先在单片机的数据手册上查清楚可以使用的端。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。

        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。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）。另外，外部私有总线地址区0xE0000000至0xE00FFFFF也永远使用小端模式。 当使用的Soc设计不支持大端模式，却有一些外设包含了大端模式时，可以使用REV/REVH指令来完成端模式的转换。