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内存同步

docs/zh_CN/api-reference/system/mm_sync.rst

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Original Source

内存同步

:link_to_translation:en:[English]

.. toctree:: :maxdepth: 1

简介

.. only:: SOC_PSRAM_DMA_CAPABLE

{IDF_TARGET_NAME} 可以通过以下方式访问其连接的 PSRAM：

  • CPU
  • DMA

.. only:: SOC_CACHE_INTERNAL_MEM_VIA_L1CACHE

{IDF_TARGET_NAME} 可以通过以下方式访问其内存：

  • CPU
  • DMA

默认情况下，CPU 通过 cache 访问上述内存，而 DMA 则可以直接访问内存。

这可能导致 cache 数据不一致的问题：

  • 当 DMA 事务更改内存块的内容，并且该内容已经加载到 cache 中时：

    • CPU 可能会读取陈旧数据。
    • cache 中的陈旧数据可能会被写回到内存中，而 DMA 事务更新的新数据将被覆盖。

  • 当 CPU 更改了地址的内容，内容已经加载至 cache 中，但还未存在于内存中（cache 会根据自己的策略将内容写回内存）时：

    • 下一个 DMA 事务从内存中读取此内容，将会获取陈旧数据。

解决此类 cache 数据不一致问题的常见方法有三种：

.. list::

  1. 基于硬件的 cache 一致性互连，{IDF_TARGET_NAME} 没有此功能。
  2. 使用来自 non-cacheable 内存的 DMA 缓冲区（CPU 绕过 cache 访问的内存被称为 non-cacheable 内存）。
  3. 显式调用内存同步 API 将 cache 中的内容写回到内存，或使 cache 中的内容无效化。

内存同步驱动程序

建议使用 ESP-IDF 的 esp_mm 组件所提供的内存同步 API :cpp:func:esp_cache_msync 来处理此类 cache 数据不一致的问题。

驱动程序的概念

cache 与内存同步的方向：

  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_C2M，用于从 cache 到内存的同步。
  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_M2C，用于从内存到 cache 的同步。

cache 与内存同步的类型：

  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_TYPE_DATA，用于同步到数据地址区域。
  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_TYPE_INST，用于同步到指令地址区域。

驱动程序的行为

调用 :cpp:func:esp_cache_msync，可以同步 cache 和内存。第一个参数 addr 和第二个参数 size 共同描述了要同步的内存区域。关于第三个参数 flags：

.. list::

  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_C2M。使用此标志，指定地址区域中的内容将被写回到内存中。这一方向通常在 CPU 更新地址内容 之后 使用（例如对地址执行 memset 后），且需要在 DMA 对同一地址进行操作 之前 使用。
  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_M2C。使用此标志，指定地址区域中的内容在 cache 中将无效化。这一方向通常在 DMA 更新地址内容 之后 使用，且需要在 CPU 将操作读取到同一地址 之前 使用。

上述两个标志用于选择同步的方向，不能同时使用。如果两个标志都未使用， :cpp:func:esp_cache_msync 将默认选择 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_C2M。

.. list::

  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_TYPE_DATA。
  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_TYPE_INST。

上述两个标志能帮助选择同步地址的类型，不能同时使用，且如果没有用其中任何一个，则 :cpp:func:esp_cache_msync 将默认选择 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_TYPE_DATA。

.. list::

  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_INVALIDATE。将特定地址区域写回内存后，可使用此标志触发区域内 cache 失效。此标志主要用于 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_C2M 方向。设置 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_INVALIDATE 标志对 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_M2C 方向不会产生任何效果。
  • :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_UNALIGNED。此标志会强制 :cpp:func:esp_cache_msync API 在不检查地址对齐和大小对齐的情况下执行同步，详情请参阅下文 地址对齐的要求 章节。

地址对齐的要求

使用 :cpp:func:esp_cache_msync 时，对地址和大小（以字节为单位）存在来自 cache 的对齐要求。

  • 起始地址和大小都符合 cache 与内存同步对齐要求的地址区域被称为 对齐地址区域。
  • 起始地址或大小不符合 cache 与内存同步对齐要求的地址区域被称为 非对齐地址区域。

默认情况下，如果指定了非对齐地址区域，则 :cpp:func:esp_cache_msync 将报错 :c:macro:ESP_ERR_INVALID_ARG，并告知所需的对齐方式。

有关地址对齐要求的警告

可以通过设置 :c:macro:ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_UNALIGNED 标志跳过此类检查。但请注意，使用此标志需谨慎，因为在非对齐地址区域内同步 cache 和内存可能会在无形中破坏内存。

举个例子，假设：

  • 对齐要求为 0x40 字节。
  • 调用 :cpp:func:esp_cache_msync，并使用 ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_DIR_M2C | ESP_CACHE_MSYNC_FLAG_UNALIGNED 标志，指定的地址区域为 0x4000_0020 ~ 0x4000_0060（详见下图中的 data C）。

上述设置将触发地址区域 0x4000_0000 ~ 0x4000_0080 cache 失效，详见下图中的 sync item0 和 sync item1。

如果 0x4000_0000 ~ 0x4000_0020 中的内容（下图中的 data A）或 0x4000_0060 ~ 0x4000_0080 中的内容（下图中的 data B）尚未写回到内存，则 data A 和 data B 将被丢弃。

.. image:: /../_static/diagrams/mmu/cache_align_issue.png :scale: 80 % :align: center

API 参考

API 参考 - ESP Msync 驱动程序

.. include-build-file:: inc/esp_cache.inc