2021年03月24日 | 【ARM】Cortex-M3 存储器系统

存储器(Memory)作为计算机系统的重要组成部分，可分为RAM,ROM。可以是片内，也可在片外。一般来说，片内容量小，速度较快一些，片外的容量大，速度较慢一些。

片内/片外 是针对于MCU而言，而不同芯片厂家的MCU芯片，都可以采用同样的内核，比如说CM3。

CM3提供了预先定义好的存储器地址映射表，极大的方便了软件在各种基于CM3的MCU间的移植。

1 存储系统功能概览

CM3 的存储器系统与从传统 ARM 架构的相比，已经脱胎换骨了：

第一， 它的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。

第二， CM3 的存储器系统支持所谓的“位带”（ bit‐band）操作。

第三， CM3 的存储器系统支持非对齐访问和互斥访问。 这两个特性是直到了 v7M 时才

出来的。

最后， CM3 的存储器系统支持小端配置和大端配置。

2 存储器映射

主要分为6大区域：

1 code区，存放指令，只读不可改，一般是flash

2 sram区，存放数据，片内静态ram，由芯片厂商决定使用多大的内存，可读可写

3 peripheral区，外设寄存器地址，由芯片厂商布局各式各样的外部设备

4 external ram区，片外扩展ram，当片内资源不够时，可进行扩展

5 external device区，片外扩展设备

6 private bus区，CM3内核的系统级组件，以及私有总线

3 位带操作

位带操作，在于通过访问字的方式来访问单个比特位，达到提高访问效率以及原子操作的目的，同时具有消耗了多余内存的缺点。

扩展成字的区域 称之为 位带别名区(bit-band alias)。

支持单个比特位扩展成字的区域 称之为 位带区(bit-band)。

支持位带操作的两个内存区的范围是：

0x2000_0000‐0x200F_FFFF（ SRAM 区中的最低 1MB）

0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）

扩展的对应关系：（n为位序号(0<= n <= 7)）

AliasAddr = 0x22000000+((A‐0x20000000)*8+n)*4 =0x22000000+ (A‐0x20000000)*32 + n*4;

’*8‘ 表示一个地址中存放了一个字节，一个字节中包含8位

’*4‘ 表示一个位扩展为32位的字，这样的一个字包含4个字节

为什么能够提高效率？

传统的写操作--读，改，写。包含这三步骤

位带的写操作--读，写。

传统的读操作--读，移位，提取。包含这三步骤

位带的读操作--总线单次读。

从以上汇编代码可以看出，通过操作位带别名区来操作位带区中的单个比特位，汇编指令较少，CPU执行效率较高。

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(最低位有效，因为最终作用到的是位带区的单个比特位，所以高位是无效的)。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; 

*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

这里注意的是关键字 volatile

volatile 本意是指”易变的“，目的在于告诉编译器：”这个变量(内存区域)是容易改变的，不要进行编译优化(存放在寄存器中，或者cache中,来提高执行效率)“。因为一旦优化了，CPU每次对这块区域的访问不再是如实的读写内存，而是与寄存器(或cache)进行数据交互，最后才把结果写回内存，这样的话，若其他地方对该内存进行的修改，将不能被及时知晓，从而导致数据丢失或出错。

4 非对齐访问

在ARMv6之前，是不支持非对齐访问的，一旦非对齐访问，将引发异常。

在CM3(ARMv7-M)中，支持非对齐访问，但是，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/STR。

其它指令则不支持，包括：

1 多个数据的加载/存储(LDM/STM)

2 堆栈操作 PUSH/POP。堆栈指针SP(R13)的最低两位默认为0,也就是表示了四字节对齐

3 互斥访问(LDREX/STREX)。如果非对齐会导致 fault

4 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。