c - 提高读取 volatile 存储器的性能

Question

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

Answer 1

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:

当 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。

如 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。

编译器甚至可以确定没有写入发生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(&currentDmaBuffer->filled, 1);
    // C11: atomic_store(&currentDmaBuffer->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。