Энергозависимые переменные C и кэш-память

Разработчик прошивки здесь. Это стандартная проблема во встроенном программировании, которая сбивает с толку многих (даже очень опытных) разработчиков.

Я предполагаю, что вы пытаетесь получить доступ к аппаратному регистру, и это значение регистра может меняться со временем (будь то состояние прерывания, таймер, индикация GPIO и т. Д.).

Ключевое слово volatile - это только часть решения и во многих случаях может не понадобиться. Это приводит к повторному считыванию переменной из памяти каждый раз, когда она используется (в отличие от оптимизации компилятором или сохранения в регистре процессора при многократном использовании), но независимо от того, используется ли Считываемая "память" - это реальный аппаратный регистр, а не кэшируемое место, неизвестное вашему коду и не затронутое ключевым словом volatile. Если ваша функция считывает регистр только один раз, вы, вероятно, можете не использовать volatile, но в качестве общего правила я предлагаю, чтобы большинство аппаратных регистров было определено как volatile.

Более серьезная проблема - это кеширование и согласованность кеш-памяти. Самый простой подход - убедиться, что ваш регистр находится в некэшированном адресном пространстве. Это означает, что каждый раз, когда вы обращаетесь к регистру, вы гарантированно читаете / записываете реальный аппаратный регистр, а не кэш-память. Более сложный, но потенциально более эффективный подход - использовать кэшированное адресное пространство и заставить ваш код вручную принудительно обновлять кеш для конкретных ситуаций, подобных этой. Для обоих подходов, как это достигается, зависит от архитектуры и выходит за рамки вопроса. Это может включать MTRR (для x86), MMU, модификации таблиц страниц и т. Д.

Надеюсь, это поможет. Если я что-то пропустил, дайте мне знать, и я расширю свой ответ.

Судя по вашему вопросу, вы ошиблись.
Volatile ключевое слово не связано с кешем, как вы описываете.

Когда ключевое слово volatile указано для переменной, оно дает компилятору подсказку не выполнять определенные оптимизации, поскольку эта переменная может неожиданно измениться из других частей программы.

Здесь имеется в виду, что компилятор не должен повторно использовать значение уже загруженное в регистр, а снова обращаться к памяти, поскольку значение в регистре не обязательно будет таким же, как значение, хранящееся в памяти. .

Остальное, касающееся кеш-памяти, напрямую к программисту не имеет.

Я имею в виду, что синхронизация любой кеш-памяти процессора с оперативной памятью - это совсем другая тема.

Я предлагаю пометить страницу как не кэшируемую диспетчером виртуальной памяти.
В Windows это делается с помощью параметра PAGE_NOCACHE при вызове VirtualProtect .

Для несколько иной цели инструкции SSE 2 содержат _mm_stream_xyz инструкции по предотвращению загрязнения кеша, хотя Я не думаю, что они применимы к вашему случаю здесь.

В любом случае не существует переносимого способа делать то, что вы хотите на C; вы должны использовать функциональность ОС.

В Википедии есть довольно хорошая статья о MTRR (регистрах диапазона типов памяти), которые применяются к семейству x86 ЦП.

Подводя итог, начиная с Pentium Pro, Intel (и скопированный AMD) имел эти регистры MTR, которые могли устанавливать атрибуты без кэширования, сквозной записи, объединения записи, защиты от записи или обратной записи для диапазонов памяти.

Начиная с Pentium III, но, насколько я знаю, действительно полезны только с 64-битными процессорами, они учитывают MTRR, но их можно переопределить с помощью таблиц атрибутов страниц, которые позволяют процессору устанавливать тип памяти для каждой страницы памяти.

Основное использование MTRR, о котором я знаю, - это графическая RAM. Гораздо эффективнее пометить это как объединение записи. Это позволяет кэшу хранить записи и ослабляет все правила упорядочения записи в память, чтобы разрешить очень высокоскоростную пакетную запись на графическую карту.

Но для ваших целей вам может потребоваться установка MTRR или PAT либо без кеширования, либо со сквозной записью.

Как вы говорите, кеш прозрачен для программиста. Система гарантирует, что вы всегда будете видеть последнее записанное значение, если вы обращаетесь к объекту через его адрес. «Единственное», что вы можете понести, если в вашем кэше находится устаревшее значение, - это штраф во время выполнения.

volatile следит за тем, чтобы данные считывались каждый раз, когда это необходимо, не беспокоясь о каком-либо кэше между процессором и памятью. Но если вам нужно прочитать фактические данные из памяти, а не кэшированные данные, у вас есть два варианта:

• Сделайте доску, на которой указанные данные не кэшируются. Это может быть уже так, если вы обращаетесь к какому-либо устройству ввода-вывода,
• Используйте специальные инструкции ЦП, которые обходят кеш. Это используется, когда вам нужно очистить память для активации возможных ошибок SEU.

Детали второго варианта зависят от ОС и / или ЦП.

использование ключевого слова _Uncached может помочь во встроенных ОС, таких как MQX

#define MEM_READ(addr)       (*((volatile _Uncached unsigned int *)(addr)))
#define MEM_WRITE(addr,data) (*((volatile _Uncached unsigned int *)(addr)) = data)