話說STM32F4系列的總線矩陣與訪問調(diào)度

　　可能不少人見過STM32F4系列的內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)框圖。大致如下圖,該圖很重要,不可視而不見。

　　圖中縱橫交錯(cuò)的就是多層AHB總線矩陣，負(fù)責(zé)把上方黃色主設(shè)備跟右邊綠色從設(shè)備互聯(lián)起來。所謂AHB主設(shè)備是指CPU或DMA[通用DMA或?qū)Ｓ肈MA]，由它們啟動(dòng)總線訪問，即讀寫操作。那些響應(yīng)主設(shè)備讀寫訪問的設(shè)備就是AHB從設(shè)備，比如存儲(chǔ)器、各類外設(shè)等。

　　因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/總線">總線矩陣的存在，使得多個(gè)主設(shè)備可以并行訪問不同的從設(shè)備，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸能力，提升了訪問效率，同時(shí)也改善了功耗性能。

　　不過，雖然總線矩陣使得多個(gè)主設(shè)備可以并行訪問不同的從設(shè)備，但在每個(gè)預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)主設(shè)備擁有總線控制權(quán)。如果有多個(gè)主設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)總線請(qǐng)求時(shí)就得進(jìn)行仲裁。所以總線矩陣?yán)镞€有個(gè)AHB總線仲裁器，它保證每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備通過總線矩陣對(duì)從設(shè)備進(jìn)行訪問。(注1)

　　為了確保每個(gè)主設(shè)備訪問從設(shè)備的延遲盡量短，在總線矩陣?yán)飳?shí)行循環(huán)調(diào)度優(yōu)先級(jí)方案：

　　• 循環(huán)調(diào)度仲裁策略使總線帶寬合理分配。

　　• 限定最大延時(shí)。

　　• 循環(huán)調(diào)度以1 次傳輸為單位。

　　當(dāng)多個(gè)AHB 主設(shè)備試圖同時(shí)訪問同一個(gè)AHB從設(shè)備時(shí)，總線矩陣仲裁器介入以解決訪問沖突。在下面的例子中CPU 和DMA1 均試圖訪問SRAM1 以讀取數(shù)據(jù)。

　　如上述示例總線訪問請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生的情況下，就需要總線矩陣仲裁。為了解決這種問題，需要應(yīng)用循環(huán)調(diào)度策略：如果本次最后贏得總線控制權(quán)的主設(shè)備是CPU，則在下一次訪問中DMA1將贏得總線控制權(quán)并首先訪問SRAM1。CPU 隨后方可有權(quán)訪問SRAM1。

　　這就表明，一個(gè)主設(shè)備的傳輸延時(shí)取決于其它等待請(qǐng)求訪問AHB 從設(shè)備的主設(shè)備數(shù)量。下面的例子是五個(gè)主設(shè)備試圖同時(shí)訪問SRAM1的情形：

　　DMA1再次獲得總線矩陣訪問權(quán)并訪問SRAM1 的延時(shí)等于其它等待請(qǐng)求的所有主設(shè)備的執(zhí)行時(shí)間之和。

　　我們?cè)賮砜纯催M(jìn)行總線矩陣仲裁可能導(dǎo)致的DMA傳輸延時(shí)最差情況。

　　主設(shè)備DMA端口進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸會(huì)遭遇的延時(shí)取決于其它主設(shè)備的傳輸類型和長度。比如，我們結(jié)合上面的DMA1 & CPU 的例子，它們并行訪問SRAM。 DMA傳輸延時(shí)將隨著CPU 數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)長度而變化。如果總線訪問首先給予CPU 且不是執(zhí)行單次數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)，DMA 訪問SRAM 的等待時(shí)間可能從一個(gè)AHB 周期(單次數(shù)據(jù)加載/ 存儲(chǔ)時(shí)間)延長為N 個(gè)AHB 周期，這里N 為CPU 數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)中數(shù)據(jù)的數(shù)量。

　　CPU 鎖定AHB 總線以保持其訪問總線的所有權(quán)，減少了多次加載/ 存儲(chǔ)操作過程中的延時(shí)以及進(jìn)入中斷的延時(shí)。這提高了固件的響應(yīng)能力，但是可能導(dǎo)致DMA 數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)的延遲。

　　DMA1 與CPU 并行訪問SRAM 的延時(shí)取決于傳輸類型：

　　• 中斷(上下文保護(hù))發(fā)起的CPU 傳輸：8 個(gè)AHB 周期;

　　• LDM/STM 指令發(fā)起的CPU 傳輸：14 個(gè)AHB 周期(注2)

　　---在多達(dá)14 個(gè)寄存器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸;

　　上圖詳細(xì)描述了一個(gè)因中斷進(jìn)入而導(dǎo)致DMA多周期傳輸延遲的情形。DMA 存儲(chǔ)器端口被觸發(fā)，發(fā)出存儲(chǔ)器訪問請(qǐng)求。經(jīng)過仲裁， AHB 總線未授權(quán)DMA1 存儲(chǔ)器端口訪問，而由CPU 來訪問總線。可以看到在服務(wù)DMA 請(qǐng)求之前有一段額外的延時(shí)。這段中斷發(fā)起的CPU 傳輸，耗時(shí)為8 個(gè)AHB 周期。

　　不難理解，當(dāng)同時(shí)對(duì)一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行尋址且數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)長度不是一個(gè)數(shù)據(jù)單元時(shí)，其他主設(shè)備(如DMA2,USB_HS, Ethernet…)也會(huì)碰到類似情形。所以，為了提高DMA 對(duì)總線矩陣的訪問性能，要盡量回避總線競爭。

　　以上內(nèi)容主要取材于ST官方應(yīng)用筆記文檔AN4031的一部分。該筆記里除了上述內(nèi)容外，還對(duì)STM32F2/F4的DMA傳輸路徑、DMA傳輸時(shí)間的估算、DMA編程都有較為細(xì)致的介紹。我這里算是拋磚引玉，有興趣的話可以去www.stmcu.com.cn 的設(shè)計(jì)資源區(qū)搜索下載AN4031。

　　(注1)并非所有主設(shè)備訪問從設(shè)備都得經(jīng)過總線矩陣，細(xì)心的人可能看到了有些主設(shè)備與從設(shè)備間有直通通道。細(xì)節(jié)詳見STM32芯片相關(guān)參考手冊(cè)。

　　(注2) 通過配置編譯器，將加載/ 存儲(chǔ)多重指令分解為單個(gè)加載/ 存儲(chǔ)指令，可以降低由LDM/STM 發(fā)起的傳輸?shù)难訒r(shí)。