我有一个从一些由 DMA 更新的 volatile 存储器读取的函数。 DMA 永远不会在与函数相同的内存位置上运行。我的应用程序对性能至关重要。因此,我意识到执行时间提高了大约。如果我不将内存声明为 volatile ,则为 20%。在我的职能范围内,内存是非 volatile 的。但是,我必须确保下次调用该函数时,编译器知道内存可能已更改。
内存是两个二维数组:
volatile uint16_t memoryBuffer[2][10][20] = {0};
DMA 在与程序功能相反的“矩阵”上运行:
void myTask(uint8_t indexOppositeOfDMA)
{
for(uint8_t n=0; n<10; n++)
{
for(uint8_t m=0; m<20; m++)
{
//Do some stuff with memory (readings only):
foo(memoryBuffer[indexOppositeOfDMA][n][m]);
}
}
}
有没有一种正确的方法来告诉我的编译器 memoryBuffer 在 myTask() 的范围内是非 volatile 的,但下次我调用 myTask() 时可能会更改,因此我可以选择 20% 的性能改进?
平台 Cortex-M4
最佳答案
没有 volatile 的问题
让我们假设 volatile
从数据数组中省略。然后是 C 编译器
并且 CPU 不知道它的元素在程序流之外发生了变化。一些
那时可能发生的事情:
myTask()
时,整个数组可能会加载到缓存中被要求第一次。数组可能永远留在缓存中,永远不会
再次从“主”内存更新。这个问题在多核上比较紧迫
CPU 如果
myTask()
例如,绑定(bind)到单个核心。 myTask()
被内联到父函数中,编译器可能会决定将负载提升到循环外,甚至到 DMA 传输的点
尚未完成。
memoryBuffer
并假设数组元素始终为 0(这将再次触发大量优化)。这可能发生,如果
该程序相当小,所有代码对编译器都是可见的
一次(或使用 LTO)。
记住:毕竟编译器对 DMA 一无所知
外围设备,它正在“出乎意料地疯狂地写入内存”
(从编译器的角度来看)。
如果编译器是愚蠢的/保守的并且 CPU 不是很复杂(单核,没有乱序执行),代码甚至可以在没有
volatile
的情况下工作。声明。但它也可能不会...volatile 的问题
制作
整个阵列
volatile
往往是悲观。出于速度原因,您可能想要展开循环。所以,而不是从加载
数组并交替增加索引,例如
load memoryBuffer[m]
m += 1;
load memoryBuffer[m]
m += 1;
load memoryBuffer[m]
m += 1;
load memoryBuffer[m]
m += 1;
一次加载多个元素并增加索引会更快
在更大的步骤中,例如
load memoryBuffer[m]
load memoryBuffer[m + 1]
load memoryBuffer[m + 2]
load memoryBuffer[m + 3]
m += 4;
如果负载可以融合在一起(例如执行
一个 32 位加载而不是两个 16 位加载)。进一步你想要
编译器使用 SIMD 指令处理多个数组元素
一条指令。
如果负载发生在,这些优化通常会被阻止
volatile 内存,因为编译器通常非常保守
围绕 volatile 内存访问进行加载/存储重新排序。
同样,编译器供应商之间的行为有所不同(例如 MSVC 与 GCC)。
可能的解决方案 1:围栏
因此,您希望使数组非 volatile ,但为编译器/CPU 添加一个提示,说“当您看到这一行(执行此语句)时,刷新缓存并从内存中重新加载数组”。在 C11 中你可以插入一个 atomic_thread_fence开头
myTask()
.这样的围栏防止在它们之间重新排序加载/存储。由于我们没有 C11 编译器,因此我们使用内部函数来完成此任务。 ARMCC 编译器有一个
__dmb()
内在 ( data memory barrier )。对于 GCC,您可能需要查看 __sync_synchronize()
( doc )。可能的解决方案 2:保持缓冲区状态的原子变量
我们在代码库中经常使用以下模式(例如,当从
SPI 通过 DMA 并调用函数对其进行分析):缓冲区声明为
普通数组(没有
volatile
)和一个原子标志被添加到每个缓冲区,当 DMA 传输完成时设置。代码看起来有些东西
像这样:
typedef struct Buffer
{
uint16_t data[10][20];
// Flag indicating if the buffer has been filled. Only use atomic instructions on it!
int filled;
// C11: atomic_int filled;
// C++: std::atomic_bool filled{false};
} Buffer_t;
Buffer_t buffers[2];
Buffer_t* volatile currentDmaBuffer; // using volatile here because I'm lazy
void setupDMA(void)
{
for (int i = 0; i < 2; ++i)
{
int bufferFilled;
// Atomically load the flag.
bufferFilled = __sync_fetch_and_or(&buffers[i].filled, 0);
// C11: bufferFilled = atomic_load(&buffers[i].filled);
// C++: bufferFilled = buffers[i].filled;
if (!bufferFilled)
{
currentDmaBuffer = &buffers[i];
... configure DMA to write to buffers[i].data and start it
}
}
// If you end up here, there is no free buffer available because the
// data processing takes too long.
}
void DMA_done_IRQHandler(void)
{
// ... stop DMA if needed
// Atomically set the flag indicating that the buffer has been filled.
__sync_fetch_and_or(¤tDmaBuffer->filled, 1);
// C11: atomic_store(¤tDmaBuffer->filled, 1);
// C++: currentDmaBuffer->filled = true;
currentDmaBuffer = 0;
// ... possibly start another DMA transfer ...
}
void myTask(Buffer_t* buffer)
{
for (uint8_t n=0; n<10; n++)
for (uint8_t m=0; m<20; m++)
foo(buffer->data[n][m]);
// Reset the flag atomically.
__sync_fetch_and_and(&buffer->filled, 0);
// C11: atomic_store(&buffer->filled, 0);
// C++: buffer->filled = false;
}
void waitForData(void)
{
// ... see setupDma(void) ...
}
将缓冲区与原子配对的优点是您能够检测到处理速度何时太慢,这意味着您必须缓冲更多,
使传入的数据变慢或处理代码变快或其他什么
在你的情况下就足够了。
可能的解决方案 3:操作系统支持
如果您有(嵌入式)操作系统,您可能会求助于其他模式而不是使用 volatile 数组。我们使用的操作系统具有内存池和队列。后者可以从线程或中断填充,线程可以阻塞
队列,直到它不为空。该模式看起来有点像这样:
MemoryPool pool; // A pool to acquire DMA buffers.
Queue bufferQueue; // A queue for pointers to buffers filled by the DMA.
void* volatile currentBuffer; // The buffer currently filled by the DMA.
void setupDMA(void)
{
currentBuffer = MemoryPool_Allocate(&pool, 20 * 10 * sizeof(uint16_t));
// ... make the DMA write to currentBuffer
}
void DMA_done_IRQHandler(void)
{
// ... stop DMA if needed
Queue_Post(&bufferQueue, currentBuffer);
currentBuffer = 0;
}
void myTask(void)
{
void* buffer = Queue_Wait(&bufferQueue);
[... work with buffer ...]
MemoryPool_Deallocate(&pool, buffer);
}
这可能是最简单的实现方法,但前提是您有操作系统
如果便携性不是问题。
关于c - 提高读取 volatile 存储器的性能,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/42138283/