STM32F407のCCMRAMを使う

背景

現在、USB-MIDIインターフェースをSTM32F407で作っています。
これは単なるUSB-MIDIへの変換だけでなく、MIDI to MIDIへのルーティングやイベントフィルタ、チャンネル・マッピング、そのほか多くの機能を提供するものに仕上げる予定です。

これらの機能を実現するため、

• MIDIで受信したデータを保持
• 受信データの演算
• 送信先への振り分け

などの処理を行いますが、これを行うには一時的なメモリがKバイトオーダーで必要になります。
今まで何も考えなければ、必要時スタックに演算用の領域を確保し、終わったら解放...mallocを使わなければこんな感じ。
mallocは多用すると使用可能領域が断片化するかもしれないので、基本的には使わないようにしています。

スタックを使えば特に問題ないですが、STM32F407にはCCMRAMという64Kバイトのメモリが0x1000_0000番地に配置されています。
普通にソフトを書いていると、ここは使われずに放置されています。

であれば、演算用のメモリとして使えば、内蔵SRAMをもっと他のことに使える！
ということで、CCMRAMを使うことを考えます。

STM32F407のメモリマップ

STM32CubeMXで生成されるリンカマップを見てみると、以下のようになっています。

STM32F407VGTX_FLASH.ld

MEMORY
{
  CCMRAM (xrw) : ORIGIN = 0x10000000,   LENGTH = 64K
  RAM    (xrw) : ORIGIN = 0x20000000,   LENGTH = 128K
  FLASH   (rx) : ORIGIN = 0x08000000,   LENGTH = 1024K
}

内蔵SRAMが128Kバイト、CCMRAMが64Kバイトあります。
普通にソフトを書いていると、RAMの128Kバイトに変数などが割り当てられ、CCMRAMは使われません。

CCMRAMを使う方法

変数に直接アドレスを指定する

CCMRAMが0x1000_0000番地から割り当てられていることはわかっています。
だったら、直接アドレスを指定して使うことができます。

*((unsigned char *)0x10000000) = 0x55;
*((unsigned short *)0x10000010) = 0x55aa;

#define PATTERN_ADDR  0x1000000040

*((char *)PATTERN_ADDR) = 0x11;

これが一番簡単です。
でも、アドレスの管理を自分でしなくてはいけませんね。
これは大変ですが、変数が少なければこれでもいいかも。
汎用性はないですが、とにかく簡単です。

変数を構造体にまとめて構造体をアドレス指定

直接アドレスを指定するのは変わりませんが、CCMRAMで使いたい変数などを構造体にまとめてしまいます。

typedef struct CCMRAM_VARS {
    unsigned char leftData;
    unsigned short rightArign;
    char onPattern[16];
}CCMRAM_VARS;

((CCMRAM_VARS *)0x10000000)->leftData = 0x55;

CCMRAMのアドレスを指定するのは同じですが、変数のアドレス管理はしなくて良くなります。
常に構造体メンバの名前でアクセスできます。
大きなシステムではよく使っていました。
複数のCPUが並列動作するシステムでは、丸ごとコピーを渡したりするのに便利だし、メモリの管理もコンパイラに任せられます。

CCMRAMのセクションを作ってリンカに任せる

この方法は一番柔軟性があります。
通常通り変数を生成して、それをRAMではなくCCMRAMのセクションに割り当てればいいだけです。
CCMRAMへのアドレス割り当てはリンカがやってくれます。
初期値付きの変数もCCMRAMへ配置できます。
この方法を利用するには、

• リンカスクリプト
• スタートアッププログラム(アセンブラ)
• 変数宣言時にセクションを指定する

という手続きが必要です。
自分の備忘録として、この方法を解説します。

リンカスクリプトの修正

調べるまで気づかなかったのですが、実はCCMRAMを使うための下記記述がリンカスクリプトに記述されていました。

STM32F407VGTX_FLASH.ld

  _siccmram = LOADADDR(.ccmram);

  /* CCM-RAM section
  *
  * IMPORTANT NOTE!
  * If initialized variables will be placed in this section,
  * the startup code needs to be modified to copy the init-values.
  */
  .ccmram :
  {
    . = ALIGN(4);
    _sccmram = .;       /* create a global symbol at ccmram start */
    *(.ccmram)
    *(.ccmram*)

    . = ALIGN(4);
    _eccmram = .;       /* create a global symbol at ccmram end */
  } >CCMRAM AT> FLASH

ccmramセクションの構造を見ると、初期値付き変数のセクションです。
初期値の記述先(ロードアドレス)を_siccmram = LOADADDR(.ccmram)で求めています。
じゃ、ccmramセクションに配置すればすぐ使えるのか...と思うのですが、IMPORTANT NOTE!を見ると、このセクションは初期化されないので、スタートアップコードを修正しなさい...と書かれてます。

ということで、初期値付き変数セクションはこのままccmramセクションを利用します。

初期値ゼロの変数セクションを作る

いわゆるbssと同じセクションをCCMRAM上に配置します。
セクション名はbssに似せてbbbにしました。

STM32F407VGTX_FLASH.ldに追加する

  /**** 初期値0のCCMRAM変数セクションを追加 ****/
  . = ALIGN(4);
  .bbb :
  {
    _sbbb = .;         /* define a global symbol at bbb start */
    *(.bbb)
    *(.bbb*)

    . = ALIGN(4);
    _ebbb = .;         /* define a global symbol at bbb end */
  } >CCMRAM

スタートアップのプログラムでゼロフィルするために、_sbbbと_ebbbというグローバルシンボルを用意します。
bbbセクションのスタートとエンドのアドレスです。
この範囲をスタートアッププログラムでゼロフィルします。

スタートアッププログラムを修正する

スタートアッププログラムはアセンブラで記述されています。
主にRAMのゼロフィル、初期値のロードが行われています。
ここに、新しく作ったccmram、bbbセクションの初期化を追記します。

初期値付き変数のccmramセクションを初期化する

まずは通常の初期値付き変数(dataセクション)の初期化を見てみます。
dataセクションの

• スタートアドレスsdata
• エンドアドレスedadta
• 初期値の配置アドレスsidata

を使って、内蔵Flashから内蔵SRAMへ初期値をコピーしています。
リンカスクリプトでアラインメントを4にしているので、値のコピーは4バイトまとめてやってますね。

startup_stm32f407vgtx.s、初期値付き変数の初期化

/* Copy the data segment initializers from flash to SRAM */  
  ldr r0, =_sdata
  ldr r1, =_edata
  ldr r2, =_sidata
  movs r3, #0
  b LoopCopyDataInit

CopyDataInit:
  ldr r4, [r2, r3]
  str r4, [r0, r3]
  adds r3, r3, #4

LoopCopyDataInit:
  adds r4, r0, r3
  cmp r4, r1
  bcc CopyDataInit

これをそのまま使わせてもらいましょう。
分岐のためのラベルに適切な名前を付けます。

startup_stm32f407vgtx.sへ追加する

/**** Copy the data segment initializers from flash to CCMRAM ****/
  ldr r0, =_sccmram
  ldr r1, =_eccmram
  ldr r2, =_siccmram
  movs r3, #0
  b LoopCopyccmramInit

CopyccmramInit:
  ldr r4, [r2, r3]
  str r4, [r0, r3]
  adds r3, r3, #4

LoopCopyccmramInit:
  adds r4, r0, r3
  cmp r4, r1
  bcc CopyccmramInit

初期値0変数のbbbセクションを初期化する

同じくbssセクションのゼロフィル処理を見てみましょう。

startup_stm32f407vgtx.s、初期値0変数の初期化

/* Zero fill the bss segment. */
  ldr r2, =_sbss
  ldr r4, =_ebss
  movs r3, #0
  b LoopFillZerobss

FillZerobss:
  str  r3, [r2]
  adds r2, r2, #4

LoopFillZerobss:
  cmp r2, r4
  bcc FillZerobss

• スタートアドレスsbss
• エンドアドレスebss

を使って、指定アドレスを0で埋めています。
dataセクションと同じく、リンカスクリプトでアラインメントを4にしているので、4バイトまとめて0を入れてます。

同じように、これをそのまま使わせてもらいましょう。
ccmramセクション同様、分岐ラベルは適切な名前を付けます。

startup_stm32f407vgtx.sへ追加する

/**** Zero fill the CCMRAM segment. ****/
  ldr r2, =_sbbb
  ldr r4, =_ebbb
  movs r3, #0
  b LoopFillZeroccmram

FillZeroccmram:
  str  r3, [r2]
  adds r2, r2, #4

LoopFillZeroccmram:
  cmp r2, r4
  bcc FillZeroccmram

これでCCMRAMもSRAMと同じように扱えます。

CのソースコードでCCMRAMを使う

こんな感じで書けば使えます。

__attribute__((section(".bbb"))) PROCESSING_DATA processingData;
__attribute__((section(".ccmram"))) unsigned char demoData[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15};

動作を見てみる

ちゃんとゼロフィル、初期値ロードがされていますね。

最後に

今までそこそこSRAMが足りていたので気にしてませんでしたが、64Kバイトはデカい！
アプリケーションによっては使ったほうがいい時もあります。
CCMRAMを検討している方の参考になれば幸いです。

あと、この手法はChatGPTでも紹介してくれますよ♪