片外 RAM
*************

:link_to_translation:`en:[English]`

.. toctree::
    :maxdepth: 1

简介
============

{IDF_TARGET_PSRAM_VADDR_SIZE:default="Value not updated", esp32="4 MB", esp32s2="10.5 MB", esp32s3="32 MB"}

{IDF_TARGET_NAME} 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 {IDF_TARGET_NAME} 另外提供了高达 {IDF_TARGET_PSRAM_VADDR_SIZE} 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。

.. only:: esp32s3

    {IDF_TARGET_PSRAM_VADDR_SIZE} 虚拟地址与 flash 指令和 rodata 共享。

硬件
========

{IDF_TARGET_NAME} 支持与 SPI flash 芯片并联的 PSRAM。虽然 {IDF_TARGET_NAME} 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。

.. note::

    .. only:: esp32 or esp32s2 or esp32s3

        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 {IDF_TARGET_NAME} 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 {IDF_TARGET_NAME} 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。

    .. only:: esp32p4

        请查询相应 PSRAM 芯片以及 {IDF_TARGET_NAME} 的技术规格书获取准确的工作电压。

        PSRAM 默认由片上 LDO2 供电。可设置 :ref:`CONFIG_ESP_LDO_CHAN_PSRAM_DOMAIN` 来切换相应的 LDO 输出通道，将该值设为 -1 表示使用外部电源，即不使用片上 LDO。默认情况下，连接到 LDO 的 PSRAM 会基于所使用的乐鑫模组设置正确电压。如果未使用乐鑫模组，仍可设置 :ref:`CONFIG_ESP_LDO_VOLTAGE_PSRAM_DOMAIN` 来选择 LDO 输出电压。使用外部电源时，该选项不存在。

.. note::

    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。

.. _external_ram_config:


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：

.. list::

    * :ref:`external_ram_config_memory_map`
    * :ref:`external_ram_config_capability_allocator`
    * :ref:`external_ram_config_malloc` (default)
    * :ref:`external_ram_config_bss`
    * :ref:`external_ram_config_noinit`
    :SOC_SPIRAM_XIP_SUPPORTED: * :ref:`external_ram_config_xip`

.. _external_ram_config_memory_map:


集成片外 RAM 到 {IDF_TARGET_NAME} 内存映射
-------------------------------------------

在 :ref:`CONFIG_SPIRAM_USE` 中选择 ``Integrate RAM into memory map`` 选项，以集成片外 RAM 到 {IDF_TARGET_NAME} 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）。

.. _external_ram_config_capability_allocator:


添加片外 RAM 到堆内存分配器
----------------------------

在 :ref:`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 :doc:`堆内存分配器 </api-reference/system/mem_alloc>`。

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。

.. _external_ram_config_malloc:


调用 ``malloc()`` 分配片外 RAM
---------------------------------

在 :ref:`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 :ref:`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 :ref:`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 :ref:`MALLOC_CAP_DMA <dma-capable-memory>` 和 ``MALLOC_CAP_INTERNAL`` 标志从该池中分配存储器。

.. _external_ram_config_bss:

允许 .bss 段放入片外存储器
-----------------------------------

通过勾选 :ref:`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。

.. _external_ram_config_noinit:

允许 .noinit 段放入片外存储器
-------------------------------------

通过勾选 :ref:`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 :ref:`external_ram_config_capability_allocator`。

.. only:: SOC_SPIRAM_XIP_SUPPORTED

    .. only:: esp32s2 or esp32s3

        将 flash 中的指令移至 PSRAM
        -----------------------------------

        启用 :ref:`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 :ref:`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 :ref:`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 :ref:`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。

        .. _external_ram_config_xip:

        在 PSRAM 中直接执行代码
        ------------------------------------

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

        在 PSRAM 中直接执行代码的好处包括：

        - PSRAM 的访问速度可能快于 flash，因此性能更好。例如，如果使用的 PSRAM 是八线的，且被配置为 80 MHz，而 flash 是四线的，且被配置为 80 Mhz，那么 PSRAM 的访问速度将快于 flash。

        - 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。

        :example:`system/xip_from_psram` 演示了如何从 PSRAM 直接执行代码，从而优化内部 RAM 的使用，并避免用户调用 flash 操作（例如闪存擦除/读取/写入操作）时关闭 cache。

    .. only:: not (esp32s2 or esp32s3)

        .. _external_ram_config_xip:

        在 PSRAM 中直接执行代码
        ------------------------------------

        启用 :ref:`CONFIG_SPIRAM_XIP_FROM_PSRAM` 选项后能在 PSRAM 中直接执行代码。通常放置在 flash 中的段，如 ``.text`` 部分的数据（用于指令）和 ``.rodata`` 部分的数据（用于只读数据），将被加载到 PSRAM 中。

        启用此选项后，SPI1 flash 操作期间 cache 保持启用状态，因此需要执行的代码在此期间不必放置在内部 RAM 中。

        .. only:: SOC_MMU_PER_EXT_MEM_TARGET

            由于 {IDF_TARGET_NAME} flash 和 PSRAM 使用两个独立的 SPI 总线，将 flash 内容移动到 PSRAM 实际上增加了 PSRAM MSPI 总线的负载，

            PSRAM 的访问速度可能快于 flash。比如在 ESP32-P4 上，选择十六线 PSRAM 并将其配置为 200 MHz，此时 PSRAM 的访问速度远快于被配置为 80 MHz 的四线 flash 芯片。

            如果这些之前在 flash 中被就地执行的指令和数据不会被频繁访问，则使能该选项可能会提高系统的性能。建议先进行性能分析，评估启用此选项是否会显著影响应用程序的性能。

片外 RAM 使用限制
===================

使用片外 RAM 有下面一些限制：

.. list::

    - 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）。

    :esp32s2: - 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 {IDF_TARGET_NAME} 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。

    :esp32s3: - 尽管 {IDF_TARGET_NAME} 具有与外部 RAM 进行 DMA 传输的硬件支持，但仍有以下限制：

        :esp32s3: - DMA 事务描述符不能放在 PSRAM 中。
        :esp32s3: - DMA 访问片外 RAM 的带宽非常有限，尤其是当内核尝试同时访问片外 RAM 时。
        :esp32s3: - 将八线 PSRAM 的 :ref:`CONFIG_SPIRAM_SPEED` 配置为 120 MHz 可提高带宽，但使用此选项仍有一定限制。更多信息请参见 :ref:`所有支持的 PSRAM 模式和速度 <flash-psram-combination>`。

    - 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。:cpp:func:`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 :ref:`CONFIG_FREERTOS_TASK_CREATE_ALLOW_EXT_MEM` 选项将任务堆栈放入片外存储器。这时，必须使用 :cpp:func:`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 :ref:`CONFIG_SPIRAM_IGNORE_NOTFOUND` 配置选项。

.. only:: esp32 or esp32s2

    如果启用 :ref:`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。


.. only:: not esp32

    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 :doc:`/security/flash-encryption`。


.. only:: esp32

    .. include:: inc/external-ram-esp32-notes.rst

.. _ESP32 系列芯⽚勘误表: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/eco_and_workarounds_for_bugs_in_esp32_cn.pdf
.. _ESP32 芯⽚版本 v3.0 使⽤指南: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/ESP32_ECO_V3_User_Guide__CN.pdf
