预取缓冲区和缓存系统

只看该作者 · 2024-9-30 18:08

在 STM32 的嵌入式系统中，Flash 写入速度对于某些高性能应用来说至关重要。Flash 存储的写入过程本身较慢，特别是在频繁写入大数据时，如果不加以优化，可能会成为系统性能的瓶颈。以下是一些可以用来优化 STM32 Flash 写入速度的技巧

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使用预取缓冲区 (Prefetch Buffer) 和指令缓存 (Instruction Cache)
STM32 系列 MCU 一般带有预取缓冲区和缓存系统，这有助于提高系统在执行代码时的速度，特别是在从 Flash 读取代码执行的场合。虽然这并不会直接加速 Flash 的写入过程，但它可以减少 CPU 等待时间，在 Flash 写操作期间使程序执行更高效。

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启用预取缓冲区
STM32 中的预取缓冲区允许 CPU 在读取 Flash 时提前获取指令，从而减少指令执行中的等待时间。可以通过设置控制寄存器启用该功能：

c

只看该作者 · 2024-9-30 18:09

// 启用预取缓冲区和指令缓存
__HAL_FLASH_PREFETCH_BUFFER_ENABLE();
__HAL_FLASH_INSTRUCTION_CACHE_ENABLE();
__HAL_FLASH_DATA_CACHE_ENABLE();

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这些功能在应用程序运行时可能带来一定的加速效果，尤其是在 Flash 写操作导致 CPU 被阻塞时，缓存系统能帮助其他操作更快进行。

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分页写入 (Page Write)
STM32 的 Flash 写入操作需要对整个页进行擦除，然后再写入数据。为了优化速度，可以通过减少擦除次数和写入的次数来提升效率：

减少擦除操作：由于 Flash 的擦除操作是最耗时的，所以应尽量减少擦除次数。可以通过在 Flash 页上分散多次写入，或者在擦除之前检查是否真的需要擦除来减少频率。
批量写入：尽量一次性写入尽可能多的数据，而不是逐字节写入，这样可以减少调用 HAL Flash 写入 API 的次数，从而降低函数调用带来的开销。

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示例：批量写入
c

void Flash_Write_Buffer(uint32_t startAddress, uint32_t* data, uint32_t length)
{
HAL_FLASH_Unlock();

for (uint32_t i = 0; i < length; i++)
{
// 每次写入一个 32 位字
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, startAddress + i * 4, data[i]);
}

HAL_FLASH_Lock();
}

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通过这种方式，可以减少单次写入的时间，批量操作通常比一次写入单个字节快得多。

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使用ART加速器 (Adaptive Real-Time Accelerator)
STM32F7、H7 等系列具有一个称为 ART 加速器的模块，它可以加速从 Flash 中读取数据的过程。虽然它主要用于代码执行的加速，但它在 Flash 写入时也能间接提升系统效率，降低由于 Flash 写入延迟而带来的总体性能影响。

在 STM32F7/H7 中，ART 加速器的配置通常在系统初始化时通过 HAL 库完成，无需用户手动操作。它通过在读取时使用零等待状态加速系统的响应。

只看该作者 · 2024-9-30 18:10

使用双缓冲 (Double Buffering)
当你需要在嵌入式系统中同时进行 Flash 写入和其他实时任务时，可以使用双缓冲技术来减少 Flash 写入带来的阻塞时间。即在执行写入操作时，另一个缓冲区继续处理其他数据，从而避免 CPU 的等待。

在写入过程中，Flash 存储操作通常会暂停系统执行，因此为了最大程度减少对 CPU 的阻塞，最好能够让 CPU 在执行其他任务时，Flash 写入在后台进行。虽然 STM32 没有直接的硬件双缓冲机制用于 Flash，但通过软件层面实现可以有效地模拟这种行为。

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使用DMA加速 (DMA for Memory Copy)
DMA (Direct Memory Access) 是在嵌入式系统中常用的加速器，用于将数据从一个存储位置转移到另一个存储位置。STM32 不支持直接用 DMA 写入 Flash，但 DMA 可以加速在 RAM 和 Flash 之间的数据准备过程。

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禁用中断 (Disable Interrupts) 优化时间敏感的写操作
在执行 Flash 写入操作时，特别是在高频率中断的情况下，CPU 可能被频繁中断，导致 Flash 写入操作效率下降。

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你可以在写入过程中临时禁用中断，减少由于中断带来的写入延迟：

c

__disable_irq(); // 禁用中断

// 执行 Flash 写入操作
Flash_Write_Buffer(startAddress, dataBuffer, dataLength);

__enable_irq(); // 恢复中断

禁用中断时要小心，只应在时间敏感的操作中临时禁用中断，以免影响其他任务的执行。

只看该作者 · 2024-9-30 18:10

优化 Flash 页的选择和分布
在 STM32 的应用中，将经常写入的数据尽量放在 Flash 的不同扇区中，以便每次擦除操作不会影响到大量的数据。通过对 Flash 页的合理划分和数据分布，可以减少写操作带来的擦除频率。

只看该作者 · 2024-9-30 18:11

使用外部高速 Flash 存储 (External Flash)
如果应用程序对 Flash 写入速度有更高的要求，可以考虑使用外部高速 Flash 存储。外部 SPI 或 Quad-SPI (QSPI) Flash 通常具有比内部 Flash 更快的写入速度和更高的存储容量。STM32 的 HAL 库支持 QSPI Flash 的配置，这为大规模存储和高频写入提供了更多可能性。

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利用 Flash 写入结束标志 (Flash Write Completion Flag)
当执行 Flash 写入时，STM32 提供了一个状态寄存器用于监控写入操作是否完成。

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可以通过检查 FLASH_SR_BSY 位来判断是否正在进行 Flash 操作，优化程序等待时间。

c
复制代码
while (__HAL_FLASH_GET_FLAG(FLASH_FLAG_BSY))
{
// 等待 Flash 操作完成
}
通过监控这个标志，可以在确保写入完成后进行后续操作，从而避免程序在等待期间过多的空闲循环。

只看该作者 · 2024-9-30 18:11

优化电源管理
Flash 写入时电压要求较为严格。确保 MCU 处于良好的供电状态，电压波动可能会导致 Flash 写入延迟或失败，从而影响整体写入速度。因此，优化电源管理（例如保持 MCU 在适当的工作电压下）有助于提升 Flash 写入效率。

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通过以上技巧，可以优化 STM32 Flash 写入速度

只看该作者 · 2024-9-30 18:11

启用预取缓冲区和指令缓存：减少程序在 Flash 写入期间的等待时间。