arm cache 屬性的影響

前言#

最近希望將 ADC 性能跑到盡可能的極限，所以研究了一下相關的外設功能。

其中 cache 和 MPU 屬性適配的部分我以前一直沒搞太懂，這次總算弄得比較清楚了。在具有 cache 功能的 arm 晶片中，一定要配合 MPU 外設功能配置才可以使用 cache 功能。

cache：緩衝區主要是為了處理器內核可以更連續地操作內存，畢竟一些內存操作涉及到跨總線，cache 可以在讀取時對命中的內存附近進行預取，以及寫入時一定程度的延遲湊連續，最主要的是可以減少內部總線的衝突以加速數據的處理。
MPU(Memory Protection Unit)：內存保護單元是 arm 晶片的內存保護機制，主要用於配置某段內存區的 cache 屬性。
當然可以有其他用途但是恕我直言沒有其他用途，例如在不同的任務線程加載中，對內存區的配置可以精細化不同，實現類似 MMU 的功能但是正常人不會做這麼複雜的應用的。
DMA(Direct Memory Access)：直接寄存器訪問，可以以沒有處理器算力參與的形式，將外設寄存器中的數值拷貝到內存中，在拷貝一定數量 (例如 1024 個) 後產生中斷通知，供我們對這段數據進行處理。

MPU 與 MMU 的主要區別

	MPU	MMU
緩衝命中周期	固定 1 指令周期	1~20 周期不等
管理精細度	有限的區域 (十數個) 管理	可以 RAM 逐頁精細化
多任務支持	劃分物理區域進行有限隔離	虛擬地址進程完全隔離
說白了	做即時性應用的	搞 linux 的

其他很多晶片當然都有類似的 cache 和 MPU 功能，但是這裡主要討論的 arm 晶片，他們的功能都是類似的，只是管理粒度、劃區數量、或者不可管理固定屬性，其中的屬性和對應功能都是類似的。

總線的理解#

MCU 晶片的外設分布在不同總線上，而同總線的外設和內存間讀寫相對會快。我們僅就 ADC 、DMA、以及內存的配合，理解總線。

在我的這個應用中，因為 DMA 只能操作同總線上的外設和內存，所以使用到了 ADC1/2/3、DMA1/2、BDMA1。

結合以下的總線示意圖理解。ADC1 結合 DMA1 采樣同時占用部分 D2 域內存、ADC3 結合 BDMA 采樣同時占用部分 D3 域內存，並最終將數據初期處理後將采樣值放在 D1 域內存供 CPU 後續計算。這樣分配盡可能減少跨域的性能損耗。

用到的總線

cache 屬性的配置#

MPU 配置控制 cache 屬性，有最重要的 3 個配置項如下，我有一些自己的簡單總結

IsCacheable 決定是否開啟 cache。
IsBufferable 決定是否將寫入指令也使用 cache 緩衝後統一寫入內存。如果不开啟 IsCache 那麼沒有意義
IsShareable 決定是否採用嚴格的時序控制，這在外設的外設，例如 FMC 訪問外部內存時非常重要，因為資源跨晶片了，需要開啟嚴格時序。

以及對應的 chat GPT 解釋，比我說的清楚詳細。

IsCacheable 控制是否使用 D-Cache，以及在 M7 上配合 TEX/C/B 決定緩存策略。

IsBufferable 允許寫緩衝（write buffering/combining），可能延後對外可見時間，以換取更高吞吐。

IsShareable 標記該區 “可被多個主機共享”，在 M7 上還會改變緩存策略：Cacheable+Shareable 會強制為 Write-Through/No-Write-Allocate。

詳細說明

IsCacheable

關心點：是否走 D-Cache；配合 TEX/C/B 決定是 Write-Back/Write-Allocate 還是 Write-Through/No-Allocate。

影響：CPU 訪問延遲與帶寬、總線流量；不直接改變外設采樣速率，但影響 CPU 處理速度。

IsBufferable

含義：允許將寫入先進入寫緩衝並可能合併，再異步刷到內存 / 總線，減少總線事務、提高吞吐。

影響：

性能：連續寫（memcpy、流式寫）更快。

可見性 / 順序：寫入對其他主機（DMA / 外設）的 “可見時刻” 可能延後；必要時用屏障指令保證順序。

典型用法：Normal 內存常設為 BUFFERABLE；Device/MMIO 通常不設以避免重排 / 合併。

IsShareable

含義：該區域可能被多個主機共享（CPU、DMA 等）。在 Cortex-M7 上對 Cacheable 的 Normal 區有特別影響：

Cacheable + Shareable = 寫直達（Write-Through）、不寫分配（No-Write-Allocate），減少其他主機看到舊數據的窗口，但 CPU 側性能較 WB/WA 略降。

Cacheable + Non-shareable = 通常為 Write-Back/Write-Allocate（配合 TEX=1,C=1,B=1），CPU 性能最佳。

影響：

順序與可見性語義更保守，有利於與其他主機協作。

不等於 “硬件緩存一致性”，但改變了緩存寫策略與內存屏障語義範圍。

常見組合速覽（Normal 內存）

B=1, C=1, Shareable=0, TEX=1 → Write-Back, Write-Allocate（CPU 最快，適合大多數計算緩衝）

B=1, C=1, Shareable=1, TEX=1 → Write-Through, No-Write-Allocate（更保守的共享語義）

B=0/1, C=0 → Non-cacheable（可選擇是否允許寫緩衝；B=0 更嚴格時序）

見此前的總線示意，由於 cache 實際屬於 CPU 的一部分，所以 DMA 獲得的內存數據 (D2/D3 域內存區) 是必然跨域的。在跨域的應用中，必須解決內存一致性問題，這需要一個內存區大小的 while 循環來強制命中解決一致性問題，反而引起不必要的消耗。

所以在 MPU 配置中，D2、D3 域對應的地址範圍不開啟 Cache，對應上述的第三個組合。D1 域的常用內存區則可以開啟 IsCache、開啟 IsBuffer、關閉 IsShare 以獲得最大的性能，對應上述的第一個組合。

而上述的第二個組合，我暫時沒有遇到過使用場景，也想像不出來。

以下是上述配置的匹配代碼，可供參考以及我自己回檔。

/**
  * @brief MPU配置
  * @param None
  * @retval None
*/
static void MPUInit(void)
{
    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;

    /* 禁止 MPU */
    HAL_MPU_Disable( );

    /* 配置AXI SRAM的MPU屬性為Write back, Read allocate，Write allocate
        最佳性能，用於CPU處理計算 */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x24000000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_512KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL1;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /* 配置D2域MPU 
        D2域外設的DMA使用 禁止cache */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x30000000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_256KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER1;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL1;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /* 配置以太網收發描述符部分為Strongly Ordered */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x30040000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_32KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER2;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /* 配置D3域MPU 
        D3域外設的DMA使用 禁止cache */
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x38000000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_64KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER3;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL1;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /* 配置FMC 片選3 的支持*/
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x68000000;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_256B;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; // 此外設需配置為無cache，否則會重複片選和讀寫使能
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER4;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    /*使能 MPU */
    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

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