STM32微控制器上哪些变量类型/大小是原子的？

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核心处理器。

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），而所有64位数据类型都不能（因为要读或写一个64位字至少需要2个处理器操作），但是bool（1个字节）和uint16_t/ int16_t（2个字节）呢？

上下文：我正在STM32上的多个线程（在FreeRTOS中称为单核，但有多个线程或称为“任务”）之间共享变量，并且需要知道是否需要通过使用中断关闭中断来强制进行原子访问互斥锁等

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 (1)
{
    // 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 (1)
{
    // 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，可以在不使用互斥锁的情况下针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
2. volatile uint8_t：安全-不需要互斥
3. volatile uint16_t：安全-不需要互斥
4. volatile uint32_t：安全-不需要互斥
5. volatile uint64_t：不安全-您必须使用关键部分或MUTEX！
6. volatile float：安全-不需要互斥
7. volatile double：不安全-您必须使用关键部分或MUTEX！

实施例与FreeRTOS的关键部分：
- https://www.freertos.org/taskENTER_CRITICAL_taskEXIT_CRITICAL.html

// Force atomic access with these critical section atomic access guards.
taskENTER_CRITICAL();
// do the (now guaranteed to be safe) read or write here
taskEXIT_CRITICAL();

相关，但未回答我的问题：

• ARM中的原子操作
• ARM：是从int原子写/读吗？
• （我对8位AVR [和Arduino]微控制器的原子性问题）：https : //stackoverflow.com/a/39693278/4561887

Answer 1

对于该问题的最终确定答案，请直接跳至下面标题为“ 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（略有）错误的文档（但是说的完全相同），因此我在这里将其固定为答案。有关详细信息，请参阅此答案底部的“有关2018年10月30日更改的注意事项”。

我绝对不了解这里的每个词，但是ARM v7-M体系结构参考手册（在线资源；PDF文件直接下载）（不是技术参考手册[TRM]，因为它没有讨论原子性）证实了我的假设：

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，这是正确的。有关详情，请参见下文。

2018年10月29日更新：

另一个小花絮：

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

/ *不需要关键部分，因为变量的类型为BaseType_t。* /

...在STM32上读取“无符号长”（4字节）易失性变量时。这意味着他至少可以100％确保STM32上4字节的读写是原子的。他没有提到较小字节的读取，但是对于4字节的读取，他有绝对的把握。我必须假定4字节变量是本机处理器的宽度，并且也是字对齐的，这对于实现这一点至关重要。

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

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

他使用了这个确切的短语...

/ *不需要关键部分，因为变量的类型为BaseType_t。* /

...在此文件的两个不同位置。

我的问题的最终答案：所有小于等于 4个字节的类型（下面9行的列表中所有加粗的类型）都是原子的。

此外，如上截图所示，在仔细检查了p141上的TRM之后，我想指出的关键句子是：

在ARMv7-M中，单副本原子处理器访问为：
•所有字节访问。
•所有半字访问半字对齐的位置。
•所有单词都可以访问单词对齐的位置。

并且，通过此链接，“ ARM C和C ++中实现的基本数据类型”（即：在STM32上）满足以下条件：

1. bool/ _Bool是“字节对齐”（1字节对齐）
2. int8_t/ uint8_t是“字节对齐”（1字节对齐）
3. int16_t/ uint16_t是“半字对齐”（2字节对齐）
4. int32_t/ uint32_t是“字对齐”（4字节对齐）
5. int64_t/ uint64_t是“双字对齐”（8字节对齐）<-不能保证原子
6. float 是“字对齐”（4字节对齐）
7. double 是“双字对齐”（8字节对齐）<-不保证原子
8. long double 是“双字对齐”（8字节对齐）<-不保证原子
9. 所有指针都是“字对齐的”（4字节对齐的）

这意味着我现在已经拥有并理解了我需要得出的结论，即上面所有加粗的行都具有自动的原子读写访问权限（但是当然不能进行增/减，这是多项操作）。这是我问题的最终答案。 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，这些原本自然对齐的数据类型可能不会自然对齐。

另请注意，在阅读《技术参考手册》时，“单拷贝原子性”显然仅表示“单核CPU原子性”或“单CPU核体系结构上的原子性”。这与“多副本原子性”相反，后者是指“多处理系统”或多核CPU体系结构。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）。

我所讨论的体系结构STM32F767ZI（具有ARM Cortex-M7内核）是单核体系结构，因此显然适用于“单拷贝原子性”（如我上面从TRM引述的那样）。

进一步阅读：

• ARM：是从int原子写/读吗？
• atomic / volatile / synchronized有什么区别？
• 打包结构中的变量可以原子读取吗？

关于2018年10月30日更改的注意事项：

• 我有以下参考：ARMv7 TRM（技术参考手册）。但是，这有两种错误：1）根本不是TRM！TRM是简短的（〜200 pgs）技术参考手册。但是，这是“建筑参考手册”，而不是TRM。事实证明，它是更长，更通用的文档，因为《体系结构》参考手册约为〜1000〜2000 pgs。2）这是针对ARMv7-A和ARMv7-R处理器的，但是我所需要的STM32 MCU的手册是针对ARMv7-M处理器的。
• 这是指向《 ARM Cortex-M7处理器技术参考手册》的正确链接。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p99（5-36）上说：“有关原子性的更多信息，请参见《ARM®v7-M体系结构参考手册》。” 因此，这是该手册。在线下载链接：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。讨论了在p79-80（A3-79至A3-80）上的原子性。