話說STM32F4系列的總線矩陣與訪問調度

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





圖中縱橫交錯的就是多層AHB總線矩陣，負責把上方黃色主設備跟右邊綠色從設備互聯(lián)起來。所謂AHB主設備是指CPU或DMA[通用DMA或專用DMA]，由它們啟動總線訪問，即讀寫操作。那些響應主設備讀寫訪問的設備就是AHB從設備，比如存儲器、各類外設等。

因為總線矩陣的存在，使得多個主設備可以并行訪問不同的從設備，增強了數(shù)據(jù)傳輸能力，提升了訪問效率，同時也改善了功耗性能。

不過，雖然總線矩陣使得多個主設備可以并行訪問不同的從設備，但在每個預定的時間內，只有一個主設備擁有總線控制權。如果有多個主設備同時出現(xiàn)總線請求時就得進行仲裁。所以總線矩陣里還有個AHB總線仲裁器，它保證每個時刻只有一個主設備通過總線矩陣對從設備進行訪問。(注1)

為了確保每個主設備訪問從設備的延遲盡量短，在總線矩陣里實行循環(huán)調度優(yōu)先級方案：

? 循環(huán)調度仲裁策略使總線帶寬合理分配。

? 限定最大延時。

? 循環(huán)調度以1 次傳輸為單位。

當多個AHB 主設備試圖同時訪問同一個AHB從設備時，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求同時發(fā)生的情況下，就需要總線矩陣仲裁。為了解決這種問題，需要應用循環(huán)調度策略：如果本次最后贏得總線控制權的主設備是CPU，則在下一次訪問中DMA1將贏得總線控制權并首先訪問SRAM1。CPU 隨后方可有權訪問SRAM1。

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





DMA1再次獲得總線矩陣訪問權并訪問SRAM1 的延時等于其它等待請求的所有主設備的執(zhí)行時間之和。

我們再來看看進行總線矩陣仲裁可能導致的DMA傳輸延時最差情況。

主設備DMA端口進行一次數(shù)據(jù)傳輸會遭遇的延時取決于其它主設備的傳輸類型和長度。比如，我們結合上面的DMA1 & CPU 的例子，它們并行訪問SRAM。 DMA傳輸延時將隨著CPU 數(shù)據(jù)傳輸事務長度而變化。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，DMA 訪問SRAM 的等待時間可能從一個AHB 周期(單次數(shù)據(jù)加載/ 存儲時間)延長為N 個AHB 周期，這里N 為CPU 數(shù)據(jù)傳輸事務中數(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，減少了多次加載/ 存儲操作過程中的延時以及進入中斷的延時。這提高了固件的響應能力，但是可能導致DMA 數(shù)據(jù)傳輸事務的延遲。

DMA1 與CPU 并行訪問SRAM 的延時取決于傳輸類型：

? 中斷(上下文保護)發(fā)起的CPU 傳輸：8 個AHB 周期;

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

---在多達14 個寄存器與存儲器之間進行傳輸;





上圖詳細描述了一個因中斷進入而導致DMA多周期傳輸延遲的情形。DMA 存儲器端口被觸發(fā)，發(fā)出存儲器訪問請求。經(jīng)過仲裁， AHB 總線未授權DMA1 存儲器端口訪問，而由CPU 來訪問總線。可以看到在服務DMA 請求之前有一段額外的延時。這段中斷發(fā)起的CPU 傳輸，耗時為8 個AHB 周期。

不難理解，當同時對一個從設備進行尋址且數(shù)據(jù)傳輸事務長度不是一個數(shù)據(jù)單元時，其他主設備(如DMA2,USB_HS, Ethernet…)也會碰到類似情形。所以，為了提高DMA 對總線矩陣的訪問性能，要盡量回避總線競爭。

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

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

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