读-改-写操作

1 什么是读-改-写操作

“读-改-写”(Read-Modify-Write,简称RMW)是一种常见的操作模式,它通常用于需要更新数据的场景。

这个模式包含三个基本步骤:

  • 1.读(Read):首先读取当前的数据。

  • 2.改(Modify):根据需要对数据进行修改。

  • 3.写(Write):将修改后的数据写回原来的位置。

2 应用领域

"读-改-写"操作是一种基本的数据处理模式,广泛应用于多个领域,以下是一些主要的应用领域:

  • 1.计算机硬件:在硬件设计中,RMW操作常用于对寄存器或内存位置进行位级控制,比如配置I/O端口、设置中断标志等。

  • 2.嵌入式系统:在微控制器(MCU)编程中,RMW操作用于对硬件寄存器进行精确控制,以实现对硬件设备的配置和管理。

  • 3.操作系统:操作系统内核中,RMW操作用于实现对共享资源的同步和互斥控制,例如,使用原子操作来更新计数器或状态标志。

  • 4.数据库管理:在数据库系统中,RMW操作用于事务处理,确保数据的一致性和完整性。例如,更新记录时,数据库引擎会先读取旧值,修改后写回新值。

  • 5.网络通信:在网络协议栈中,RMW操作可能用于更新网络设备的状态或配置,如路由器或交换机的设置。

  • 6.并发编程:在多线程或多进程编程中,RMW操作是实现线程安全的关键技术之一,用于避免竞态条件和数据竞争。

  • 7.图形用户界面(GUI)编程:在GUI开发中,RMW操作可能用于更新界面元素的状态,如按钮的启用/禁用状态。

  • 8.游戏开发:在游戏编程中,RMW操作用于实时更新游戏状态,如玩家的位置、得分等。

  • 9.固件开发:固件是嵌入式系统中的低级软件,RMW操作在固件中用于硬件初始化和配置。

  • 10.文件系统:文件系统中,RMW操作用于更新文件元数据或目录结构,同时保持文件系统的一致性。

  • 11.内存管理:在计算机内存管理中,RMW操作用于更新内存分配表,以跟踪内存使用情况。

  • 12.硬件抽象层(HAL):在硬件抽象层编程中,RMW操作用于与硬件设备进行交互,如配置外设。

  • 13.实时系统:在需要快速响应的实时系统中,RMW操作用于快速更新系统状态,以满足实时性要求。

  • 14.分布式系统:在分布式系统中,RMW操作可能用于同步不同节点的状态,以保持数据的一致性。

RMW操作是确保数据一致性和系统稳定性的关键,无论是在硬件层面还是在软件层面,它都是实现精确控制和同步的基本手段

3 嵌入式系统中的读-改-写

RMW操作在MCU中的一些应用场景:

  • 1.位操作:MCU的寄存器通常具有特定的位用于控制硬件行为。

  • 2.中断标志位:在处理中断时,MCU可能需要清除中断标志位以防止同一中断再次触发。

  • 3.配置寄存器:在初始化MCU时,可能需要配置多个寄存器以设置时钟、电源管理、通信接口等。

  • 4.内存映射的外设:某些外设,如LCD控制器或ADC(模拟数字转换器),可能通过内存映射的方式与MCU交互。

  • 5.临界区保护:在多任务或中断驱动的系统中,保护临界区(critical section)以防止数据竞争或不一致,可能需要使用原子操作或禁用中断来进行RMW操作。

  • 6.位带操作:一些MCU提供了位带操作的指令,这些指令可以直接对内存或寄存器的特定位进行操作,而不需要完整的RMW周期。

3.1 配置寄存器

以配置寄存器为例子,“读-改-写”操作可以分解为以下步骤:

  • 1.先把寄存器读到临时变量里

  • 2.用|=、&=的操作,改变临时变量的指定几位

  • 3.把临时变量写回到寄存器里

// 这是固件库函数中设置窗口看门狗窗口时间的函数,就运用了”读-改-写“操作
void WWDG_SetWindowValue(uint8_t WindowValue)
{__IO uint32_t tmpreg = 0;/* Check the parameters */assert_param(IS_WWDG_WINDOW_VALUE(WindowValue));/* Clear W[6:0] bits *//* 1.把寄存器读到临时变量里 */tmpreg = WWDG->CFR & CFR_W_Mask;/* 2.用|=、&=的操作,改变临时变量的指定几位 *//* Set W[6:0] bits according to WindowValue value */tmpreg |= WindowValue & (uint32_t) BIT_Mask;/* 3.把临时变量写回到寄存器里 *//* Store the new value */WWDG->CFR = tmpreg;
}

优势:

  • 1.可以单独改变寄存器的某几位,而不影响其他位的值

  • 2.如果连续更改多次不同的位,这样操作效率比较高

  • 3.所有更改的位在最终写回到寄存器时同时生效

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