哪个变量 types/sizes 在 STM32 微控制器上是原子的？

Question

以下是STM32微控制器上的数据类型：http://www.keil.com/support/man/docs/armcc/armcc_chr1359125009502.htm。

这些微控制器使用 32 位 ARM 内核处理器。

哪些数据类型具有自动原子读取和原子写入访问权限？

我很确定所有 32 位数据类型都可以（因为处理器是 32 位的），而所有 64 位数据类型都不能（因为读取或写入至少需要 2 个处理器操作一个 64 位字），但是 bool（1 个字节）和 uint16_t/int16_t（2 个字节）呢？

上下文：我在 STM32 上的多个线程（单核，但多线程，或在 FreeRTOS 中称为“任务”）之间共享变量，我需要知道是否需要通过关闭中断、使用互斥等来强制执行原子访问

更新：

参考此示例代码：

volatile bool shared_bool;
volatile uint8_t shared u8;
volatile uint16_t shared_u16;
volatile uint32_t shared_u32;
volatile uint64_t shared_u64;
volatile float shared_f; // 32-bits
volatile double shared_d; // 64-bits

// Task (thread) 1
while (true)
{
    // Write to the values in this thread.
    //
    // What I write to each variable will vary. Since other threads are reading
    // these values, I need to ensure my *writes* are atomic, or else I must
    // use a mutex to prevent another thread from reading a variable in the
    // middle of this thread's writing.
    shared_bool = true;
    shared_u8 = 129;
    shared_u16 = 10108;
    shared_u32 = 130890;
    shared_f = 1083.108;
    shared_d = 382.10830;
}

// Task (thread) 2
while (true)
{
    // Read from the values in this thread.
    //
    // What thread 1 writes into these values can change at any time, so I need
    // to ensure my *reads* are atomic, or else I'll need to use a mutex to
    // prevent the other thread from writing to a variable in the midst of
    // reading it in this thread.
    if (shared_bool == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u8 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u16 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u32 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u64 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_f == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_d == whatever)
    {
        // do something
    }
}

在上面的代码中，我可以在不使用互斥锁的情况下对哪些变量执行此操作？我的怀疑如下：

1. volatile bool：安全——不需要互斥锁
2. volatile uint8_t：安全——不需要互斥锁
3. volatile uint16_t：安全——不需要互斥锁
4. volatile uint32_t：安全——不需要互斥锁
5. volatile uint64_t：不安全——您必须使用临界区或 MUTEX！
6. volatile float：安全——不需要互斥锁
7. volatile double：不安全——您必须使用临界区或 MUTEX！

FreeRTOS 的关键部分示例：

• https://www.freertos.org/taskENTER_CRITICAL_taskEXIT_CRITICAL.html

  // 使用这些临界区原子访问守卫强制进行原子访问。 taskENTER_CRITICAL(); // 在这里读或写（现在保证安全） taskEXIT_CRITICAL();

相关，但没有回答我的问题：

1. Atomic operations in ARM
2. ARM: Is writing/reading from int atomic?
3. （我自己关于 8 位 AVR [和 Arduino] 微控制器中原子性的问题和答案）：
4. https://stm32f4-discovery.net/2015/06/how-to-properly-enabledisable-interrupts-in-arm-cortex-m/

Answer 1

取决于你所说的原子是什么意思。

如果不是像

那样简单的加载或存储操作

a += 1;

那么所有类型都不是原子的。

如果是简单的存储或加载32位操作，16位和8位数据类型是原子的。如果必须规范化寄存器中的值，则 8 位和 16 位存储和加载可能不是原子的。

如果您的硬件支持位带，那么如果使用位带，则支持位带的内存区域中的位操作（设置和重置）是原子的

备注。

如果您的代码不允许未对齐操作，则 8 位和 16 位操作可能不是原子操作。

Answer 2

对于这个问题的最终明确答案，请直接跳到下面标题为“我的问题的最终答案”的部分。

2018 年 10 月 30 日更新： 我不小心引用了（稍微）错误的文档（但说的是完全相同的内容），所以我在我的回答中修复了它们这里。有关详细信息，请参阅此答案底部的“关于 2018 年 10 月 30 日更改的说明”。

我肯定不明白这里的每一个字，但是 ARM v7-M 体系结构参考手册 (Online source; PDF file direct download)（不是技术参考手册 [TRM] ，因为它不讨论原子性）验证了我的假设：

所以...我认为我在问题底部的 7 个假设都是正确的。 [2018 年 10 月 30 日：是的，没错。详情见下文。]

---

2018 年 10 月 29 日更新：

再来一个小花絮：

Richard Barry，FreeRTOS 创始人、专家和核心开发人员，在 tasks.c...

中表示

/* A critical section is not required because the variables are of type BaseType_t. */

...在 STM32 上读取“unsigned long”（4 字节）volatile 变量时。 这意味着他至少 100% 确定 4 字节读写在 STM32 上是原子的。他没有提到 smaller-byte 读取，但对于 4 字节读起来他是绝对肯定的。我必须假设 4 字节变量是本机处理器宽度，而且 word-aligned 对实现这一点至关重要。

来自 tasks.c，FreeRTOS v9.0.0 中的第 2173-2178 行，例如：

UBaseType_t uxTaskGetNumberOfTasks( void )
{
    /* A critical section is not required because the variables are of type
    BaseType_t. */
    return uxCurrentNumberOfTasks;
}

他用的是……

/* A critical section is not required because the variables are of type BaseType_t. */

...在此文件中的两个不同位置。

我的问题的最终答案：所有类型 <= 4 字节（下面 9 行列表中的所有 加粗 类型）都是原子的。

此外，如我上面的屏幕截图所示，在仔细检查 p141 上的 TRM 后，我想指出的关键句子是：

In ARMv7-M, the single-copy atomic processor accesses are:
• all byte accesses.
• all halfword accesses to halfword-aligned locations.
• all word accesses to word-aligned locations.

而且，per this link，对于“在 ARM C 和 C++ 中实现的基本数据类型”（即：在 STM32 上），以下是正确的：

1. bool/_Bool 是“byte-aligned” (1-byte-aligned)
2. int8_t/uint8_t 是“byte-aligned” (1-byte-aligned)
3. int16_t/uint16_t 是“halfword-aligned” (2-byte-aligned)
4. int32_t/uint32_t 是“word-aligned” (4-byte-aligned)
5. int64_t/uint64_t 是“doubleword-aligned” (8-byte-aligned) <-- 不保证原子性
6. float 是“word-aligned” (4-byte-aligned)
7. double 是“doubleword-aligned” (8-byte-aligned) <-- 不保证原子性
8. long double 是“doubleword-aligned” (8-byte-aligned) <-- 不保证原子性
9. 所有指针都是“word-aligned”(4-byte-aligned)

这意味着我现在拥有并理解我需要的证据 最终声明上面的所有粗体行都具有自动原子读写访问权限（但不是 increment/decrement 当然是多次操作）。 这是我的问题的最终答案。 我认为这种原子性的唯一例外可能是打包结构，在这种情况下，这些 otherwise-naturally-aligned 数据类型可能没有自然对齐。

另请注意，在阅读技术参考手册时，“single-copy 原子性”显然仅表示“single-core-CPU 原子性”或“single-CPU-core 架构上的原子性”。这与“multi-copy 原子性”相反，它指的是“多重处理系统”或 multi-core-CPU 架构。维基百科指出“多处理是在单个计算机系统中使用两个或多个中央处理器 (CPU)”(https://en.wikipedia.org/wiki/Multiprocessing)。

我的架构 STM32F767ZI（带有 ARM Cortex-M7 内核）是一个 single-core 架构，显然是“single-copy 原子性”，因为我在上面引用了 TRM，适用。

进一步阅读：

• ARM: Is writing/reading from int atomic?
• What is the difference between atomic / volatile / synchronized?
• Can variables inside packed structures be read atomically?

关于 2018 年 10 月 30 日更改的说明：

• 我有这个参考：ARMv7 TRM（技术参考手册）。但是，这在两个方面是错误的：1) 这根本不是 TRM！ TRM 是一份简短的（~200 pgs）技术参考手册。然而，这是“体系结构参考手册”，而不是 TRM。这是一份更长更通用的文档，因为架构参考手册的数量级约为 ~1000~2000 pgs。 2) 这是针对 ARMv7-A 和 ARMv7-R 处理器的，但是我需要的有关 STM32 mcu 的手册是针对 ARMv7-M 处理器的。
• 这是 ARM Cortex-M7 处理器技术参考手册的正确 link。在线：https://developer.arm.com/docs/ddi0489/latest. PDF: https://static.docs.arm.com/ddi0489/d/DDI0489D_cortex_m7_trm.pdf.
• 上面正确的 TRM，在第 99 (5-36) 页上说，“对于更多 有关原子性的信息，请参阅 ARM®v7-M 体系结构参考手册。”因此，这是该手册。在线下载 link：https://developer.arm.com/products/architecture/cpu-architecture/m-profile/docs/ddi0403/latest/armv7-m-architecture-reference-manual. PDF: https://static.docs.arm.com/ddi0489/d/DDI0489D_cortex_m7_trm.pdf。它在 p79-80（A3-79 到 A3）上讨论了原子性-80)

到创建原子访问守卫（通常通过关闭中断当读写不是原子）见：

1. [我的问答]What are the various ways to disable and re-enable interrupts in STM32 microcontrollers in order to implement atomic access guards?
2. My doAtomicRead() func here which can do atomic reads withOUT turning off interrupts

Answer 3

原子"arithmetic"可以被CPU核心寄存器处理！

可以是任何类型一个或四个字节取决于体系结构和指令集

但修改位于内存中的任何变量 至少需要 3 个系统步骤：RMW = 读取内存到寄存器、修改寄存器和将寄存器写入内存。

因此，只有当您控制 CPU 寄存器的使用时，原子修改才有可能，这确实意味着需要使用纯汇编程序，而不是使用 C 或 Cpp 编译器。

当您使用 C\Cpp 编译器时，它会将全局或全局静态变量放在内存中，因此 C\Cpp 不提供任何原子操作和类型

注意：您可以使用例如 "FPU registers" 进行原子修改（如果您确实需要它），但您必须向编译器和 RTOS 隐藏架构具有 FPU。