片外 RAM

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简介

ESP32-S2 提供了好几百 KB 的片上 RAM，可以满足大部分需求。但有些场景可能需要更多 RAM，因此 ESP32-S2 另外提供了高达 10.5 MB 的虚拟地址，供片外 PSRAM（伪静态随机存储器）存储器使用。片外 RAM 已经集成到内存映射中，在某些范围内与片上 RAM 使用方式相同。

硬件

ESP32-S2 支持与 SPI flash 芯片并联的 PSRAM。虽然 ESP32-S2 支持多种类型的 RAM 芯片，但 ESP-IDF 当前仅支持乐鑫品牌的 PSRAM 芯片，如 ESP-PSRAM32、ESP-PSRAM64 等。

备注

PSRAM 芯片的工作电压分为 1.8 V 和 3.3 V。其工作电压必须与 flash 的工作电压匹配。请查询相应 PSRAM 芯片以及 ESP32-S2 的技术规格书获取准确的工作电压。对于 1.8 V 的 PSRAM 芯片，请确保在启动时将 MTDI 管脚设置为高电平，或者将 ESP32-S2 中的 eFuses 设置为始终使用 1.8 V 的 VDD_SIO 电平，否则有可能会损坏 PSRAM 和/或 flash 芯片。

备注

乐鑫同时提供模组和系统级封装芯片，集成了兼容的 PSRAM 和 flash，可直接用于终端产品 PCB 中。如需了解更多信息，请前往乐鑫官网。注意，ESP-IDF SDK 可能与定制的 PSRAM 芯片不兼容。

有关将 SoC 或模组管脚连接到片外 PSRAM 芯片的具体细节，请查阅 SoC 或模组技术规格书。

配置片外 RAM

ESP-IDF 完全支持将片外 RAM 集成到你的应用程序中。在启动并完成片外 RAM 初始化后，可以将 ESP-IDF 配置为用多种方式处理片外 RAM：

集成片外 RAM 到 ESP32-S2 内存映射

在 CONFIG_SPIRAM_USE 中选择 Integrate RAM into memory map 选项，以集成片外 RAM 到 ESP32-S2 内存映射。

这是集成片外 RAM 最基础的设置选项，大多数用户需要用到其他更高级的选项。

ESP-IDF 启动过程中，片外 RAM 被映射到数据虚拟地址空间，该地址空间是动态分配的，其长度为 PSRAM 大小和可用数据虚拟地址空间大小之间的最小值。

应用程序可以创建指向该区域的指针，手动将数据放入片外存储器，并全权负责管理片外 RAM，包括协调缓存占用、防止发生损坏等。

建议通过 ESP-IDF 堆内存分配器访问 PSRAM（见下一小节）。

添加片外 RAM 到堆内存分配器

在 CONFIG_SPIRAM_USE 中选择 Make RAM allocatable using heap_caps_malloc(..., MALLOC_CAP_SPIRAM) 选项。

启用上述选项后，片外 RAM 被映射到数据虚拟地址空间，并将这个区域添加到携带 MALLOC_CAP_SPIRAM 标志的 堆内存分配器。

程序如果想从片外存储器分配存储空间，则需要调用 heap_caps_malloc(size, MALLOC_CAP_SPIRAM)，之后可以调用 free() 函数释放这部分存储空间。

调用 malloc() 分配片外 RAM

在 CONFIG_SPIRAM_USE 中选择 Make RAM allocatable using malloc() as well 选项，该选项为默认选项。

启用此选项后，片外存储器将被添加到内存分配程序（与上一选项相同），同时也将被添加到由标准 malloc() 函数返回的 RAM 中。

应用程序因此可以使用片外 RAM，无需重写代码就能使用 heap_caps_malloc(..., MALLOC_CAP_SPIRAM)。

如果某次内存分配偏向于片外存储器，也可以使用 CONFIG_SPIRAM_MALLOC_ALWAYSINTERNAL 设置分配空间的大小阈值，控制分配结果：

  • 如果分配的空间小于或等于阈值，分配程序将首先选择内部存储器。

  • 如果分配的空间大于阈值，分配程序将首先选择外部存储器。

如果优先考虑的内部或外部存储器中没有可用的存储块，分配程序则会选择其他类型存储。

由于有些内存缓冲器仅可在内部存储器中分配，因此需要使用第二个配置项 CONFIG_SPIRAM_MALLOC_RESERVE_INTERNAL 定义一个内部内存池，仅限显式的内部存储器分配使用（例如用于 DMA 的存储器）。常规 malloc() 将不会从该池中分配，但可以使用 MALLOC_CAP_DMA 和 MALLOC_CAP_INTERNAL 标志从该池中分配存储器。

允许 .bss 段放入片外存储器

通过勾选 CONFIG_SPIRAM_ALLOW_BSS_SEG_EXTERNAL_MEMORY 启用该选项。

启用该选项后，PSRAM 被映射到的数据虚拟地址空间将用于存储来自 lwip、net80211、libpp、wpa_supplicant 和 bluedroid ESP-IDF 库中零初始化的数据（BSS 段）。

通过将宏 EXT_RAM_BSS_ATTR 应用于任何静态声明（未初始化为非零值），可以将附加数据从内部 BSS 段移到片外 RAM。

也可以使用链接器片段方案 extram_bss 将组件或库的 BSS 段放到片外 RAM 中。

启用此选项可以减少 BSS 段占用的内部静态存储。

剩余的片外 RAM 也可以通过上述方法添加到堆分配器中。

允许 .noinit 段放入片外存储器

通过勾选 CONFIG_SPIRAM_ALLOW_NOINIT_SEG_EXTERNAL_MEMORY 启用该选项。启用该选项后，PSRAM 被映射到的数据虚拟地址空间将用于存储未初始化的数据。即使在启动或重新启动期间，放置在该段中的值也不会被初始化或修改。

通过应用 EXT_RAM_NOINIT_ATTR 宏，可以将数据从内部 NOINIT 段移到片外 RAM。剩余的片外 RAM 也可以通过上述方法添加到堆分配器中，具体请参考 添加片外 RAM 到堆内存分配器。

将 flash 中的指令移至 PSRAM

启用 CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS 选项后，flash 中 .text 部分的数据（用于指令）将被放入 PSRAM。

启用 CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS 选项后：

  • flash .text 部分中的指令将在系统启动时移至 PSRAM。

  • 上述指令对应的虚拟内存范围也将重新映射至 PSRAM。

将 flash 中的只读数据移至 PSRAM

启用 CONFIG_SPIRAM_RODATA 选项后，flash 中 .rodata 部分的数据（用于只读数据）将被放入 PSRAM。

启用 CONFIG_SPIRAM_RODATA 选项后：

  • flash .rodata 部分中的指令将在系统启动时移至 PSRAM。

  • 上述只读数据对应的虚拟内存范围也将重新映射至 PSRAM。

在 PSRAM 中直接执行代码

启用 CONFIG_SPIRAM_XIP_FROM_PSRAM 选项后，可同时指定 CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS 和 CONFIG_SPIRAM_RODATA 选项。

在 PSRAM 中直接执行代码的好处包括：

  • PSRAM 访问速度快于 flash，因此性能更好。

  • 在进行 SPI1 flash 操作期间，cache 仍然保持启用状态，这样可以优化代码执行性能。由于无需把中断服务程序 (ISR)、ISR 回调和在此期间可能被访问的数据放置在片上 RAM 中，片上 RAM 可用于其他用途，从而提高了使用效率。这个特性适用于需要处理大量数据的高吞吐量外设应用，能显著提高 SPI1 flash 操作期间的性能。

片外 RAM 使用限制

使用片外 RAM 有下面一些限制：

  • flash cache 禁用时（比如，正在写入 flash），片外 RAM 将无法访问；同样，对片外 RAM 的读写操作也将导致 cache 访问异常。因此，ESP-IDF 不会在片外 RAM 中分配任务堆栈（详见下文）。

  • 片外 RAM 不能用于存储 DMA 事务描述符，也不能用作 DMA 传输读写信息的 buffer。因此，当启用片外 RAM 时，任何与 DMA 结合使用的 buffer 必须使用 heap_caps_malloc(size, MALLOC_CAP_DMA | MALLOC_CAP_INTERNAL) 进行分配，之后调用标准的 free() 来释放。注意，尽管 ESP32-S2 具有与外部 RAM 进行 DMA 传输的硬件支持，但在 ESP-IDF 中，尚未提供软件支持。

  • 片外 RAM 与片外 flash 使用相同的 cache 区域，这意味着频繁在片外 RAM 访问的变量可以像在片上 RAM 中一样快速读取和修改。但访问大块数据时（大于 32 KB），cache 空间可能会不足，访问速度将降低到片外 RAM 的访问速度。此外，访问大块数据会挤出 flash cache，可能在之后降低代码的执行速度。

  • 一般来说，片外 RAM 不会用作任务堆栈存储器。xTaskCreate() 及类似函数始终会为堆栈和任务 TCB 分配片上储存器。

可以使用 CONFIG_SPIRAM_ALLOW_STACK_EXTERNAL_MEMORY 选项将任务堆栈放入片外存储器。这时，必须使用 xTaskCreateStatic() 指定从片外存储器分配的任务堆栈缓冲区，否则任务堆栈将仍从片上存储器分配。

初始化失败

默认情况下，片外 RAM 初始化失败将终止 ESP-IDF 启动。如果想禁用此功能，可启用 CONFIG_SPIRAM_IGNORE_NOTFOUND 配置选项。

如果启用 CONFIG_SPIRAM_ALLOW_BSS_SEG_EXTERNAL_MEMORY，忽略失败的选项将无法使用，这是因为在链接时，链接器已经向片外存储器分配标志符。

加密

可以为存储在外部 RAM 中的数据启用自动加密功能。启用该功能后，通过缓存读写的任何数据将被外部存储器加密硬件自动加密、解密。

只要启用了 flash 加密功能，就会启用这个功能。关于如何启用 flash 加密以及其工作原理，请参考 flash 加密。

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