基于ARM Cortex-M的SoC存儲體系結構和實戰

System on Chip Architecture Tutorial Memory Architecture for ARM Cortex-M based SoC-Aviral Mittal

Memory Architecture for Cortex-M bases System on Chip.

一旦你完成了處理器的選擇（即在ARM Cortex-M家族中），內存架構可能是SoC架構的第二個最重要的方面。內存結構取決于處理器的選擇。

例如，如果選擇Cortex-M7，則處理器中內置指令緩存和數據緩存作為選項，因此內存系統可能沒有任何緩存。

Cortex-M7還具有緊密耦合存儲器（TCMs），它提供非常快速的代碼執行（來自指令TCMs）和非常快速的數據訪問（來自數據TCMs）。

NVM Memory choice for code storage.

現在，由于這項技術是關于無主機SoC的，即一個自給自足的SoC，并且是系統的主要SoC，它應該有非易失性存儲器（NVM）用于代碼存儲，而不像“托管”SoC，它通常從“主機”接收其代碼，并且代碼最終在SoC的RAM中。

Flash or R-RAM as NVM for code storage.

一個流行的選擇是NAND Flash。對于28nm以上的幾何圖形，您也可以使用e-Flash，即嵌入式Flash，即集成在SoC中的閃存，但對于28nm以下的幾何圖形，由于技術限制，e-Flash通常不可用，因此您可能需要選擇外部Flash設備，通常通過SPI接口、四SPI接口（QSPI）或八進制SPI接口。（OSPI）。但是，如果您想讓NVM在SoC上實現更精細的幾何結構，可以選擇R-RAM（電阻RAM）或M-RAM（磁RAM）。然而，您必須記住，R-RAM是一個昂貴的事情，可以大大增加SoC的成本。

ROM for code storage

你可以用ROM，它比Flash或者R-RAM速度快，成本低，功耗低，但是ROM的問題是，它不是很靈活。它不能被覆蓋，所以如果你想在后期更新你的系統，ROM不會讓它發生。然而，ROM是最“安全”的內存，一般不需要驗證或解密等。因此，如果您的系統足夠穩定，如果您的代碼在系統生命周期內不需要更新，ROM是一種方法。有時，在開發過程中，SoC可能有flash或R-RAM，SoCs的初始版本用flash/R-RAM發布，并且隨著代碼的成熟，flash/R-RAM被ROM取代。

OnChip R-RAM Vs Flash:

重要的是要考慮到Flash中的代碼存儲通常是在nandflash中，因為它提供隨機訪問，而不像NOR Flash那樣隨機訪問是不可能的。

從上表中可以很明顯地看出，R-RAM在大多數情況下都是勝出的，因此如果成本允許，并且您的SoC需要更多的性能來降低功耗，R-RAM將是NVM的選擇。

然而，R-R a M是一項非常新的技術，并且目前非常昂貴，因此，大多數使用ARM Cortex-M類處理器的soc仍然具有e-Flash或片外Flash。

注：需要注意的是，R-RAM不能替代片上RAM。它仍然有有限的寫入周期~10000，因此不能像在SoC上使用普通RAM那樣使用。

從安全角度看片內與片外NVM：

片上NVM可以被認為是更安全的，因為您不需要“認證”NVM，因為它是片上的。然而，片外NVM至少在每次系統啟動時都需要“身份驗證”，以確保片外設備是真正的設備。

XIP vs No XIP.

在考慮NVM時，如果它是Flash或R-RAM（而不是ROM，ROM通常總是XIP），您可能還需要考慮是否需要XIP。XIP執行到位。你可以在這里找到更多關于XIP的信息。
如果您的系統沒有高性能要求，XIP可能是一個非常好的建議。它非常經濟有效，因為它比片上RAM便宜得多，而且您的代碼直接從這個內存執行。即使NVM是片外閃存，使用cache存儲器也可以縮小性能差距，為各種應用提供足夠的性能。

然而，從片外閃存使用XIP的缺點是高功耗。在片外XIP過程中，您將消耗比將代碼一次復制到片上RAM并從片上RAM執行多得多的能量。因此，這些是作為SoC架構師必須做出的權衡。成本/功率/性能。沒有對錯之路。這取決于你的SoC的用例是什么。

然后不使用XIP意味著代碼需要從NVM復制到RAM，這意味著需要更多的內存來存儲代碼，因為有代碼復制。但是在這些情況下，代碼在NVM中被壓縮，然后解壓縮到RAM中，這樣可以節省一些內存，但是沒有XIP意味著比XIP更多的系統內存。

The Security Aspect of XIP vs no XIP

從安全的角度來看，XIP將需要所謂的內聯解密，因為代碼在執行時將被解密，因為代碼通常將從NVM中的隨機位置獲取。但是，如果沒有XIP，則解密方法將是“塊”解密，即在將整個圖像復制到系統RAM時對其進行一次解密。

Execute In Place (XIP)

當嵌入式系統在沒有電源的情況下啟動時，它將執行的第一個代碼必須來自非易失性存儲器源，例如Flash或ROM。

通常應該有一個“bootloader”程序，它將盡可能少地啟動和運行系統。

當系統啟動時，它沒有可用的ram，因此沒有可用的堆棧，因此沒有可用的內存來存儲程序變量。因此，處理器運行的第一個代碼必須完全使用處理器寄存器。處理器執行的第一個代碼也從它所在的位置執行。也就是說，它是“就地執行”（XIP）。它不能試圖修改程序本身的任何內容，因為這段代碼可能在ROM中，并且代碼不能自我修改。

由于上述考慮，處理器通電后執行的第一個程序通常用匯編語言編寫，因為c程序的執行幾乎總是需要在讀/寫存儲器（RAM）中設置一個“堆棧”來存儲變量，并且在啟動或通電時RAM可能不可用。

引導加載程序要做的一件事是使系統RAM可用。然后，它可以將代碼從flash重新定位到這個ram中，然后跳到ram來執行這個復制或重新定位的代碼。

是的，對于所有的XIP代碼，load region=execution region，也就是說，XIP代碼存儲在根區域中。記住“根區域”的定義是加載地址為=執行地址的區域。

Other applications of XIP:

除了引導加載程序代碼之外，XIP在嵌入式世界中也越來越流行，它可以直接從Flash中執行引導代碼以外的程序。NOR flash可以像NAND那樣隨機訪問，因此NOR flash顯然是這樣的XIP存儲和就地執行代碼的選擇。這有助于節省片上ram區域，而這反過來又可以節省成本。當然，執行速度會比RAM執行慢，但是對于許多嵌入式應用程序來說，它帶來了成本優勢，并提供了足夠的性能。

Load Region Vs Execute Region:

在典型的嵌入式系統中，當系統斷電時，所有的程序和數據都存儲在非易失性存儲器中。然而，當系統通電時，一些數據或代碼可以在執行前（如果是代碼）或在使用前（如果是數據）移動到系統SRAM（volatile mem）中。

當用戶編譯并“鏈接”程序時，會生成該程序的“圖像”。這是系統可以執行的二進制可執行文件。

二進制“image”通常分為“Read Only”段（包含代碼和只讀數據）和“Read Write”段（包含可以初始化或零初始化甚至未初始化的數據）。

通常“只讀”段甚至可以放入ROM（與flash相反），并且不需要從內存中的位置移動。它是“從它所在的地方執行”即它是在適當的地方執行的。

而“讀寫”段必須在執行開始前移入系統的讀/寫存儲器，例如SRAM。

因此，對于代碼的某些部分，系統關機時該部分所在的內存位置與系統開機時相同。

但是

對于代碼的某些部分，當系統處于關機狀態時，該部分所在的內存位置與開機時該部分移動到的內存位置不同。

那么誰來移動代碼呢？

鏈接器將把代碼添加到處理器將要執行的程序中，并移動代碼中需要在通電時移動到系統SRAM中的那些部分。

現在，這些代碼段在“加載”時有不同的地址，這是在NVM中，而在“執行”時，通常是在SRAM中的某個地方。

因此，程序映像可以有“加載區域=執行區域”的部分，并且這部分代碼是“就地執行”XIP。

對于代碼的某些其他部分，“加載區域不等于執行區域”，并且這部分代碼沒有在適當的位置執行。

Example:

用戶有它的應用程序代碼，他編譯并鏈接它以生成名為’圖像.bin’. '圖像.bin’是14246字節。

這意味著系統必須至少有該數量的NVM可供用戶在系統中匹配其二進制圖像。

然后，系統將具有一些SRAM（比如16KB，在本例中相當慷慨），這是在0x2000_0000和0x2000_3FFF位置。

現在是圖像文件的永久地址’圖像.bin’將在NVM中，并將占用系統中的內存地址0x0000_0000到0x0000_37A6。

因此，整個二進制文件的加載地址是從0x0000_0000到0x0000_37A6。這可以是一個NVM（閃存），甚至可以是ROM。

但在執行之前，作為最低要求

應設置堆棧內存。

r/w數據（如變量）必須移動到r/w存儲器

系統的R/W內存（假設系統中總共有16KB的SRAM可用）位于內存映射中的其他位置，并假設它是從0x2000_0000到0x2000_3FFF（16KB）。

因此image.bin’將被移動到位于0x2000_和0x2000_3FFF之間的內存位置。堆棧指針將被設置為為為“stack”保留一些內存，這些內存也將位于0x2000_0000和0x2000_3FFF之間。

因此，對于圖像.bin’文件，加載地址=執行地址，并且它保持永久性，并且在0x0000_0000和0x0000_37A6之間。這也是XIP，在圖像.bin’.

鑒于圖像.bin’文件，加載地址在0x0000_0x000037A6之間，執行地址在0x2000_0x20003FFF之間。i、 e.對于這些部分，加載地址不等于它們的執行地址。

Let us take another example where the Load address is not the same as execution address:

用戶有一個用C編寫的關鍵函數。包含此函數的圖像文件放在NVM中。但是，用戶希望將此函數移到離處理器非常近的SRAM中，以便快速執行。

現在這個函數有兩個內存地址。

1. 加載地址：當系統關機時，該函數在NVM內存中的位置

2．執行地址：當系統啟動并運行時，函數在SRAM內存中的位置。

同樣，對于這個函數，加載地址與其執行地址不同。

因此，此代碼將不是XIP（就地執行）。

Conclusion:

二進制圖像中的某些代碼可以從內存中的位置執行。此代碼永遠不會“移動”到內存的另一個區域，并且具有永久地址。當執行此代碼時，它是從它所在的位置執行的，這稱為就地執行（XIP）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的基于ARM Cortex-M的SoC存储体系结构和实战的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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