RMW(Read-Modify-Write)对 STM32F7xx内核运行速度的影响

前言
: N7 T. L$ i8 ~1 b在客户使用STM32F7xx（Cortex-M7内核）实际测试中，会发现同等主频下STM32F4xx（Cortex-M4）执行同样一段简单程序在时间上要快于STM32F7xx，这个会影响到客户切换到STM32F7xx的信心，也对ST以及ARM宣传上Cortex-M7内核执行时间远快于Cortex-M4内核的说法提出质疑，本文将针对具体案例说明这一情况的产生以及解决办法。
% Q1 Z, h* t% W0 v% T/ L  M- u8 M0 O
& _5 |% W( y& w0 a) k
问题描述
客户测试复杂程序运行时间，比如同样180MHz主频下，STM32F7xx执行Coremark测试程序时间远小于STM32F4xx的执行时间；也就是STM32F7xx的性能更佳，运算执行效率更好。但当客户程序顺序执行程序，尤其是简单程序时发现STM32F7xx执行时间大于STM32F4xx的执行时间，比如运行下面的同样的测试代码，就有明显差距：
) c: j5 q9 D' B$ l3 W
# C' o9 h0 l1 H5 a% i8 l8 P为方便量化时间，使用Timer2计数方式对这段时间进行计数，Timer2运行在90MHz，向上计数，Test_Counter数据用于输出计数数值，增加后代码如下：

- w& e, [. V- Y) _4 D: v8 n" B% ]5 I
通过上面的修改后测试下来，Test_Counter数据分别为：
$ q' L) ^+ y# N. i+ N/ m$ [; X3 ySTM32F446 数据为 1543
5 a4 L) G2 p, o* y* r  J' j- XSTM32F746 数据为 1836
7 y9 G0 y+ {2 H如果使用Keil自带的States cycles计算方法得到如下数据，后面会按照这个来计算执行时间数据。
" |; s2 a" Q/ Z, \: s  b$ g2 gSTM32F446 数据为 3009
. A4 s' z- J7 |, OSTM32F746 数据为 3635
: \+ T" G' X6 f7 o1 j

产生上述问题的原因：
7 U* q6 P1 ~9 x上面的测试都是在使用了Cache以及ART加速方法测得，如果针对STM32F7xx的性能优化可以参考AN4667 "STM32F7 Series system architecture and performance"这篇应用文档的描述，本例已经对文档描述部分做过优化，但问题依然是STM32F7xx速度慢于STM32F4xx。两颗芯片运行同样代码，比较两颗芯片汇编代码也是相同的：

0 y3 Q. x: P/ g通过查看ARM Cortex-M7内核文档发现下面描述：
! q5 P9 j" B, F/ r
& j: H$ o5 P6 `8 x- x2 k反映到本例中发现定义的i数据为16-bit数据，同样也在汇编代码上发现了STRB这个汇编代码；这样在RMW（read-modify-write）机制下，当定义为byte以及half-word数据时将有一个先读取数据，修改后再写入数据的过程，这个读取-修改-写入的过程正是能够影响到内核执行效率的问题点，如果定义为32-bit就避免了这个问题的发生。
8 M9 I% ~8 F! A% |" Y8 k" C: h
2 M2 x# t5 z0 H' Y+ i问题解决
按照文档说明，我们将16-bit定义数据，改为32-bit的定义数据，即：


测试下来结果如下：
5 O! L. K, h6 s$ P: j+ ^. O& K6 t, PSTM32F446 数据为 2102
; V& H% S$ U) x& p8 O+ @- k6 P; e" DSTM32F746 数据为 1807
* D5 J9 ?. F/ B" s9 A5 v$ m可以看到不管是STM32F4xx还是STM32F7xx，当数据定义为32-bit时都有显著的速度提升，当然STM32F7xx的提升更加明显，同样测试条件下STM32F7xx执行时间小于STM32F4xx的执行时间。
$ {/ {- G) M3 B5 [8 K
% h5 \0 `2 r! n: g$ \  F7 U( U2 y深入内核修改
1 a) J% G& X' P& |( q6 i! \0 ?8 T- W因为32-bit数据定义会增加内存，并且有时候定义为byte或halfword更方便，还需要提升速度的话我们看到同样是内核文件给出的说明，可以将RMW机制屏蔽掉：

实际上就是对CM7_ITCMCR寄存器的第1位写0， 即可以在程序中有下面的操作：
, X2 p. N/ E. u) `9 O) W
9 j3 {- e6 o5 {/ H5 i- f9 j禁止RMW后测试下来数据如下：
( {5 Z' u; k! s3 _) D16-bit定义数据STM32F746 测试cycles数据为 3022
32-bit定义数据STM32F746 测试cycles数据为 1808
" z' V( K3 \" @/ K可以对比上面的测试数据也可以看到当禁止RMW后STM32F7xx性能也是优于STM32F4xx的。

具体测试数据如下：


: y6 J9 G: p: w9 f结论：
7 j- w  H7 W/ z; }" V3 w需要提升STM32F7xx执行时间，发挥出最大效能时，请参考AN4667，同时需要注意RMW对内核性能发挥的影响。


: s7 |, h, X" B! ^' {! R

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) k/ e/ B8 y' D  x- n* A
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