что такое регистры памяти
Регистровая память
↑ следующая новость | предыдущая новость ↓
Регистровая память (registered, буферизованная, buffered) – вид оперативной памяти, модули которой содержат регистр между микросхемами памяти и контроллером памяти. Обычно используется в системах, требующих масштабируемости и отказоустойчивости. Наличие регистров уменьшает электрическую нагрузку на контроллер памяти, что позволяет устанавливать большее количество модулей памяти на один канал. Таким образом, обеспечение максимального объема памяти, поддерживаемого современными процессорами, возможно только при использовании регистровой памяти
Регистровые модули (RDIMM) необходимы для установки большого объема оперативной памяти по сравнению с небуферизованной памятью DIMM (UDIMM). Стоит учитывать, что модули UDIMM – неважно, с поддержкой ECC или без нее, – не могут работать совместно с RDIMM, причем в некоторых случаях попытка совместить такую память может привести к выходу из строя материнской платы либо модулей памяти. Поэтому, выбирая память, необходимо сразу брать регистровые модули, так как в случае модернизации не придется заменять всю память сервера. Максимальные значения объема памяти, ее частоты и количество модулей приведены в таблице ниже. Также здесь представлена информация о LRDIMM:
Преимущества регистровой памяти прекрасно демонстрируют серверные материнские платы, например SuperMicro X9DR3-LN4F+, на которой имеется 24 слота памяти, по 12 на каждый процессор. Так как процессоры для данной платы поддерживают четырехканальную память, получаем три модуля на канал. Для сравнения – платы для похожих процессоров, не поддерживающих регистровую память, имеют максимум восемь слотов памяти.
Некоторым недостатком регистровой памяти является небольшое уменьшение производительности. Каждое чтение и запись буферизуются в регистре на один такт, прежде чем попадут с шины памяти в чип DRAM, поэтому регистровая память считается на один такт более медленной, чем нерегистровая. Для памяти типа SDRAM, к которой относятся современные DDR3 и DDR4 модули, эта задержка существенна только для первого цикла в серии запросов.
Начинаем изучать STM32: Что такое регистры? Как с ними работать?
Продолжаем рассмотрение базовых вопросов
В предыдущем уроке мы рассмотрели работу с битовыми операциями и двоичными числами, тем самым заложив основу для рассмотрения новой темы. В этом уроке мы с Вами рассмотрим очередной вопрос: что такое регистры и как с ними работать?
Память и регистры
Одним из самых важных навыков необходимых при работе с микроконтроллерами является умение взаимодействовать с регистрами. Давайте для себя разберемся, что же это такое?
В целом, регистр — это особый вид памяти внутри микроконтроллера, который используется для управления процессором и периферийными устройствами. Каждый регистр в архитектуре ARM представляет собой ячейку памяти и имеет длину в 32 бита, где каждый бит можно представить в виде крошечного выключателя с помощью которого осуществляется управление тем или иным параметром микроконтроллера.
Каждый из регистров имеет свой порядковый номер – адрес. Адрес регистра обозначается 32-битным числом представленным в шестнадцатеричной системе счисления. Путём записи по адресу регистра определённой комбинации единиц и нулей, которые обычно представлены в шестнадцатеричном виде, осуществляется настройка и управление тем или иным узлом в МК. Вспомним, что в программе для работы с битовыми операциями, мы могли представить в виде шестнадцатеричного числа произвольный набор единиц и нулей. В целом стоит отметить, что существует два вида регистров: регистры общего назначения и специальные регистры. Первые расположены внутри ядра МК, а вторые являются частью RAM-памяти.
Так же стоит отметить, что Reference Manual, который мы скачивали в первом уроке, это один большой справочник по регистрам, содержащимся в целевом микроконтроллере, а библиотека CMSIS позволяет нам оперировать символьными именами регистров вместо числовых адресов. Например, к регистру 0x40011018 мы можем обратиться просто, используя символьное имя GPIOC_BSSR. Конкретные примеры конфигурирования мы рассмотрим в ходе разбора нашей программы из первого занятия.
Итак, обычно структура регистра описывается в виде небольшой таблицы с указанием:
Разбор кода из первого занятия
Итак, давайте вспомним задачу, которую мы решили на первом уроке используя готовый код примера: нам было необходимо написать программу, которая бы обеспечила попеременное включение двух светодиодов на плате Discovery (возможно и не двух, если у вас другая версия платы Discovery) с временным интервалом.
Давайте еще разок взглянем на код программы, которую мы использовали для того, чтобы заставить наш МК дрыгать двумя ногами на которых расположены наши светодиоды:
Первым делом, при работе с STM32, даже для такой простой задачи как включение и выключение светодиода нам необходимо предварительно ответить на ряд вопросов:
Куда подключены наши светодиоды? К какому выводу микроконтроллера?
Для того, чтобы посмотреть где что находится на плате Discovery, а в частности, нужные нам светодиоды — нужно открыть Schematic-файл, либо тот который мы скачали с сайта ST, либо прямо из Keil:
Открыв Schematic мы увидим схему всего того, что есть на плате — схему ST-Link, обвязку всей периферии и многое другое. На текущий момент нас интересуют два светодиода, ищем их обозначение:
Как мы видим, наши светодиоды подключены к порту GPIOC на 8 и 9 пин.
Как включить тактирование на нужный порт GPIO?
В целом, любая работа с периферией в микроконтроллерах STM32 сводится к стандартной последовательности действий:
Внимание! Вопрос касательно системы тактирования, её настройки и использования мы подробно рассмотрим в отдельной статье.
Найти к какой шине подключен наш порт GPIOC можно найти в Datasheet’е на наш МК в разделе Memory Mapping в Таблице 16. STM32F051xx peripheral register boundary addresses.
Как вы уже успели заметить, необходимая нам шина именуется как AHB2. Для того чтобы подробнее ознакомиться с регистром, в котором включается тактирование на нужный нам порт GPIO на шине AHB, надо перейти в соответствующий раздел в Reference Manual. По названию регистров мы можем определить тот, который нужен нам:
Переходим в этот пункт, и мы видим наш 32-битный регистр, его адрес смещения, значение по умолчанию, способ доступа к регистру и перечисление того, за что отвечает каждый бит в регистре.
Смотрим на таблицу и видим нечто напоминающее опции включения тактирования на портах GPIO. Переходим к описанию и находим нужную нам опцию:
Соответственно если мы установим 19 бит в значение «1» то это обеспечит включение тактирования на порт I/O C – то есть на наш GPIOC. К тому же — нам нужно включить отдельно один бит из группы, не затрагивая остальные т.к. мы не должны мешать и изменять без надобности другие настройки.
Основываясь на материалах прошлого урока, мы знаем что для того чтобы выставить определенный бит нужно используя логическую операцию «ИЛИ» сложить текущее значение регистра с маской которая содержит те биты которые необходимо включить. Например, сложим значение регистра RCC->AHBENR по умолчанию, т.е. 0x14 и число 0x80000 тем самым включим тактирование GPIOC путем установки 19 бита:
Каким образом мы можем это сделать из программы? Всё достаточно просто. В данном случае у нас два варианта:
То есть, мы могли бы обращаться к адресам регистров напрямую по адресу и написать так:
Второй вариант мне кажется наиболее привлекательным, т.к. библиотека CMSIS организована таким способом, что регистру можно обращаться, используя только его название. Препроцессор в ходе обработки текста программы перед компиляцией подставит все цифровые значения адреса регистра автоматически. Давайте разберем этот вопрос чуть подробнее.
Предлагаю открыть наш проект, который мы сделали в первом занятии, или скачайте предварительно подготовленый отсюда и удалите все содержимое программы оставив только подключенный заголовочный файл, функцию main() и инструкцию для включения тактирования (она нам понадобится для подробного разбора кода).
Наш код будет выглядеть следующим образом:
Давайте для ознакомления копнём вглубь библиотеки CMSIS.
Для того, чтобы быстро перейти к месту где объявлена та или иная константа или переменная в Keil реализована удобная функция. Кликаем правой кнопкой по необходимой нам константе, например, на RCC:
И мы переносимся в глубины библиотеки CMSIS, в которой увидим, что все регистры доступные для управления программным способом имеют вид TypeDef-структур, в том числе и наш RCC:
Провалившись подобным образом в RCC_TypeDef мы увидим структуру в которой описаны все поля нашего регистра:
Соответственно, мы можем спокойно обращаться к нужному нам регистру записью вида PERIPH_MODULE->REGISTER и присваивать ему определенное значение.
Помимо мнемонического обозначения регистров есть так же обозначения конкретных битов. Если мы провалимся к объявлению параметра RCC_AHBENR_GPIOCEN из нашей программы, то так же увидим объявление всех параметров:
Таким образом, используя библиотеку CMSIS у нас получается лаконичная читаемая запись нужного нам параметра в регистр, через установку которого мы запускаем тактирование на нужный нам порт:
В качестве задания: определите используя возможности Keil, каким образом получился адрес регистра RCC->AHBENR как 0x40021014.
Как настроить нужные нам пины GPIO для того чтобы можно было включить светодиод?
Итак, мы знаем что нужные нам светодиоды подключены к порту GPIOC к пинам PC8 и PC9. Нам нужно настроить их в такой режим, чтобы загорался светодиод. Хотелось бы сразу же сделать оговорку, что порты GPIO мы рассмотрим подробнее в другой статье и тут мы сконцентрируемся именно на работе с регистрами.
Первым делом нам нужно перевести режим работы пинов PC8 и PC9 в режим Output. Остальные параметры порта можно оставить по умолчанию. Переходим в Reference Manual в раздел 9. General-purpose I/Os (GPIO) и открываем пункт отвечающий за режим работы пинов порта GPIO и видим что за этот параметр отвечает регистр MODER:
Судя по описанию, для установки пинов PC8 и PC9 в режим Output мы должны записать 01 в соответствующие поля регистра GPIOC.
Это можно сделать через прямую установку с помощью числовых значений:
Или через использование определений из библиотеки:
После данной инструкции наши пины PC8 и PC9 перейдут в режим Output.
Как включить светодиод?
Если мы обратим внимание на список доступных регистров для управления портом GPIO то можем увидеть регистр ODR:
Каждый из соответствующих битов отвечает за один из пинов порта. Его структуру вы можете увидеть ниже:
Для того, чтобы обеспечить попеременную смену состояний светодиодов надо с определенным временным интервалом включать/выключать 8 и 9 биты. То есть попеременно присваивать регистру значение 0x100 и 0x200.
Сделать это мы можем через прямое присвоение значений регистру:
Можем через использование определений из библиотеки:
Но так как микроконтроллер работает очень быстро — мы не будем замечать смены состояний светодиодов и визуально будет казаться что они оба горят постоянно. Для того чтобы они действительно моргали попеременно мы внесем искусственную задержку в виде цикла который займет МК бесполезными вычислениями на некоторое время. Получится следующий код:
На этом первоначальное знакомство с регистрами и методами работы с ними мы можем закончить.
Проверка результатов работы нашего кода
Небольшое приятное дополнение в конце статьи: в Keil имеется отличный Debug-инструмент с помощью которого мы можем пошагово выполнить нашу программу и просмотреть текущее состояние любого периферийного блока. Для этого после загрузки прошивки после компиляции мы можем нажать кнопку Start Debug Session:
Рабочая среда Keil переключится в режим отладки. Мы можем управлять ходом программы с помощью данных кнопок:
И есть еще одна удобная функция работы с периферией в режиме отладки, она позволяет просматривать текущее состояние регистров и менять их состояние простым кликом мышкой.
Для того чтобы ей воспользоваться — нужно перейти в соответствующий периферийный блок и справа откроется окно с указанием регистров и их значением.
Если вы кликните по одному из пунктов данного меню, вы увидите адрес регистра и его краткое описание. Так же можно просмотреть описание к каждому отдельному параметру регистра:
Попробуйте самостоятельно пошагово выполнить программу, включить/выключить светодиоды не используя программу, а используя данный режим работы с микроконтроллером. Простор для фантазии тут обширный. Так же попробуйте поиграться с длительностями задержек, сделайте одновременное моргание обоими светодиодами. В общем экспериментируйте! )
Регистр представляет устройство для кратковременного хранения двоичной информации. Запоминание временное, поскольку регистр выполняют роль промежуточного звена. Он получают некоторую n-битную двоичную информацию, а затем передает ее на следующий этап по сигналу извне.
Регистры состоят из n-триггеров и имеет определенное количество входов и выходов. По принципу работы существуют несколько типов регистров.
Параллельные регистры (регистры памяти).
Регистры сдвига.
Это цифровые устройства с большими возможностями, потому что помимо временного хранения полученных данных, они также должны их обрабатывать так, чтобы на выходе получилось нечто иное.
Под действием тактового сигнала управления, записанные сведения можно сдвигать на один порядок вправо или на один порядок влево, что очень важно для всех цифровых технологий. Например, при действии одного тактового сигнала, число 0110 может сдвигаться вправо и иметь вид 0011 (что является делением на 2), или может сдвигаться влево и иметь вид 1100 (который является умножением на 2). Таким образом, такое динамическое перемещение в памяти и выполняют регистры сдвига.
В зависимости от способа получения и извлечения данных существует несколько типов сдвигающих регистров: с параллельным или последовательным входами и выходами.
На рис.2 приводится схема 4-х разрядного регистра сдвига, где триггеры соединены в последовательную цепочку (выход каждого предыдущего соединен со входом D следующего). Входы синхронизации С объединены между собой.
Разнообразие регистров сдвига велико, и они широко используются в компьютерах, где сведения передается через клавиатуру и извлекается для нужд экрана и принтера.
Организация памяти
За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.
И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.
Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.
Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.
Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск
Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.
Архитектура х86 поддерживает стек.
Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:
push operand
помещает операнд в стек
pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд
Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.
Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.
Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:
mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.
mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.
Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.
Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:
линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение
Сегмент кода
Сегмент данных
Сегмент стека
Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.
Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес. 
Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке: 
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:
линейный адрес = базовый адрес + смещение
[база; база+предел)
(база+предел; вершина]
Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 — сегмент данных, только считывание
001 — сегмент данных, считывание и запись
010 — сегмент стека, только считывание
011 — сегмент стека, считывание и запись
100 — сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 — подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 — подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание
44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.
Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.
На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.