MICROCHIP TB3308 使用缓存维护处理运行时缓存一致性问题
介绍
对于运行在具有可缓存内存区域的微控制器 (MCU) 上的应用程序，缓存一致性问题不可避免，这些应用程序使用直接内存访问 (DMA) 进行数据传输操作。这是因为 CPU 从缓存执行读/写操作，而 DMA 在外设和物理内存之间传输数据。
处理缓存一致性的方法之一是要求应用程序在运行时使用缓存维护操作来管理缓存。MPLAB® Harmony v3 为 PIC32MZ 设备提供了缓存维护应用程序编程接口 (API)。
本文档解释了应用程序如何使用 MPLAB Harmony v3 下的缓存管理 API 在运行时管理缓存一致性问题。
笔记： 本文档中讨论的概念适用于所有 PIC32MZ MCU。PIC32MZ EF 用作示例amp来讨论这些概念。
描述
下图说明了 DMA 从 PIC32MZ EF MCU 上的 SRAM 读取时观察到的缓存一致性问题。
图 1-1。 内存到外设的传输（DMA 从 SRAM 读取）
应用程序提交请求将数据缓冲区 TxBuffer 值 'ABCDEFGH' 传输到外设。CPU 将要写入外设的数据 'ABCDEFGH' 填充到 DMA 写缓冲区 (TxBuffer) 中。
但由于设置的缓存策略Write Back和Write Allocate，DMA写缓冲区（TxBuffer）可能不会立即写入主存，写入的数据可能残留在数据缓存中，主存中的DMA写缓冲区（TxBuffer）中仍然保存着老值‘12345678’。
当触发 DMA 启动内存到外设的传输时，DMA 会从主内存读取缓冲区 (TxBuffer) 作为“12345678”。因此，DMA 最终将陈旧数据传输到外设。
下图说明了 DMA 写入 SRAM 时观察到的缓存一致性问题。
图 1-2. 外设到内存的传输（DMA 写入 SRAM）
应用程序提交请求，从外设接收 RxBuffer 中的值为“12345678”的数据。DMA 在 SRAM 中用值“12345678”填充 RxBuffer。但是，数据缓存未更新，并且继续保存以前的数据。当 CPU 读取 RxBuffer 时，它最终将缓冲区中包含的先前值读取为“ABCDEFGH”。
处理缓存一致性
处理缓存一致性问题的两种方法在“内存到外设传输（DMA 从 SRAM 读取）”和“外设到内存传输（DMA 写入 SRAM）”中进行了说明。这些方法涉及应用程序在运行时使用维护操作管理缓存。这些操作包括执行以下操作的能力：
使缓存无效： 将缓存行标记为无效。后续访问会强制将数据从主内存复制到缓存。
清理缓存： 将标记为脏的缓存行写回到主存储器。为了处理在“内存到外设传输（DMA 从 SRAM 读取）”中讨论的缓存一致性，请执行以下操作：
- 应用程序用值“ABCEDFGH”填充写入数据缓冲区（TxBuffer）。由于默认的缓存策略（Write Back 和 Write Allocate），写入的数据可能在缓存中。
图 1-3. 填充写入缓冲区
- 通过调用清理缓存 API 将值为“ABCDEFGH”的写入数据缓冲区（TxBuffer）刷新到主存储器。
图 1-4. 刷新写入缓冲区
- 应用程序提交一个请求，将数据从值为“ABCDEFGH”的TxBuffer传输到外围设备。
图 1-5. 写入外设
要处理外设到内存传输（DMA 写入 SRAM）中讨论的缓存一致性，请按照以下步骤操作：
- 应用程序调用 Invalidate 缓存 API 将缓存行标记为无效。
图 1-6. 使缓存无效
- 应用程序提交一个请求，从外围设备接收RxBuffer中值为‘12345678’的数据。
- DMA 在 SRAM 中用值“12345678”填充 RxBuffer。
- 由于 RxBuffer 对应的缓存行处于无效状态，CPU 的读访问会导致 RxBuffer 从主内存复制到数据缓存中。
图 1-7. 处理外设到内存传输缓存一致性
执行
配置
在 PIC3 MZ EF 的 MPLAB Harmony v32 项目中，缓存维护操作由 MPLAB Harmony v3 配置器 (MHC) 或 MPLAB 代码配置器 (MCC) 启用。在 MHC 或 MCC 中，可以在项目图 > 系统 > MIPS 配置 > 缓存下找到配置设置。
图 2-1. MHC 缓存配置
数据缓存维护 API
MPLAB Harmony v3 提供以下数据缓存维护 API：
表 2-1. 数据缓存维护 API
| 姓名 | 描述 |
| DCACHE_INVALIDATE (空) | 在启用之前使整个数据缓存无效。 |
| DCACHE_CLEAN_BY_ADDR (uint32_t addr，size_t sz) | 写回并使数据缓存中的地址范围无效。 |
| DCACHE_INVALIDATE_BY_ADDR (uint32_t addr，size_t sz) | 使数据缓存中的地址范围无效。 |
| DCACHE_CLEAN_INVALIDATE_BY_ADDR (uint32_t addr，size_t sz) | 写回并使数据缓存中的地址范围无效。 |
笔记：
- MCU 特定数据和指令缓存维护 API 可用作外设库 (PLIB) plib_cache.c。请参阅 PLIB 应用程序示例amp乐在：
https://github.com/Microchip-MPLAB-Harmony/csp_apps_pic32mz_ef/tree/master/apps/cache/cache_maintenance. - 使用缓存清理和按地址使缓存无效的 API 时：
- 地址： 必须与缓存行大小边界对齐。这意味着 DMA 缓冲区地址必须与 16 字节边界对齐。
- 尺寸： 必须是缓存行大小的倍数。这意味着 DMA 缓冲区大小必须是 16 字节的倍数。
Example
以下代码例如amp该文件演示了如何使用数据缓存维护 API 以及 MPLAB Harmony v3 DMA 外设库 API 通过 UART 接口读取和写入数据。
详细源代码请参考PLIB应用示例amp乐在：
https://github.com/Microchip-MPLAB-Harmony/csp_apps_pic32mz_ef/tree/master/apps/cache/cache_maintenance.
笔记： 上面讨论的缓存一致性问题也可以在链接时通过使用争用数据缓冲区的一致性变量属性来处理。
无符号整数 __attribute__((coherent))缓冲区[1024];
在此代码中，编译器（在链接时）在非可缓存内存区域 KSEG1024 中分配 1 个元素。
参考
以下文档列为资源。有关缓存一致性和相关 Microchip 产品的更多信息，请参阅 Microchip Web网站，或联系当地的 Microchip 销售代表。
- 在 PIC1MZ 器件上使用 L32 缓存
- PIC32MZ EF 缓存维护 PLIB Example
- MPLAB Harmony v3 Quick Docs 软件包为用户提供了独立的帮助页面，帮助他们开始在 Microchip 的 32 位 SAM 和 PIC32 MCU 上开发应用程序。下载 quick_docs 存储库并从 index.html 开始 file 可在文档文件夹中找到。
在线版本可从以下网址获取： microchip-mplab-harmony.github.io/quick_docs/. - MPLAB Harmony v3 登陆 web 页： www.microchip.com/mplab/mplab-harmony
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