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片外 RAM
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:link_to_translation:`en:[English]`
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.. toctree::
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:maxdepth: 1
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简介
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{IDF_TARGET_PSRAM_VADDR_SIZE:default="Value not updated", esp32="4 MB", esp32s2="10.5 MB", esp32s3="32 MB"}
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{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。
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.. only:: esp32s3
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{IDF_TARGET_PSRAM_VADDR_SIZE} 虚拟地址与 flash 指令和 rodata 共享。
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硬件
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{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。
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.. note::
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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。
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.. note::
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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。
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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。
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.. _external_ram_config:
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配置片外 RAM
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ESP-IDF 完全支持将片外 RAM 集成到您的应用程序中。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：
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.. list::
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* :ref:`external_ram_config_memory_map`
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* :ref:`external_ram_config_capability_allocator`
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* :ref:`external_ram_config_malloc` (default)
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* :ref:`external_ram_config_bss`
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:esp32: * :ref:`external_ram_config_noinit`
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:SOC_SPIRAM_XIP_SUPPORTED: * :ref:`external_ram_config_instructions`
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:SOC_SPIRAM_XIP_SUPPORTED: * :ref:`external_ram_config_rodata`
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.. _external_ram_config_memory_map:
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集成片外 RAM 到 {IDF_TARGET_NAME} 内存映射
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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。
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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。
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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。
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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。
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建议通过 ESP-IDF 堆内存分配器访问 PSRAM（见下一小节）。
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.. _external_ram_config_capability_allocator:
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添加片外 RAM 到堆内存分配器
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在 :ref:`CONFIG_SPIRAM_USE` 中选择 ``Make RAM allocatable using heap_caps_malloc(..., MALLOC_CAP_SPIRAM)`` 选项。
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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>` 。
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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。
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.. _external_ram_config_malloc:
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调用 malloc() 分配片外 RAM
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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。
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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。
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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)``。
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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：
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- 如果分配的空间小于阈值，分配程序将首先选择内部存储器。
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- 如果分配的空间等于或大于阈值，分配程序将首先选择外部存储器。
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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。
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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。
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.. _external_ram_config_bss:
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允许 .bss 段放入片外存储器
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通过勾选 :ref:`CONFIG_SPIRAM_ALLOW_BSS_SEG_EXTERNAL_MEMORY` 启用该选项。
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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 和 bluedroid ESP-IDF 库中零初始化的数据（BSS 段）。
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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。
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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。
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启用此选项可以减少 BSS 段占用的内部静态存储。
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剩余的片外 RAM 也可以通过上述方法添加到堆分配器中。
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.. only:: esp32
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.. _external_ram_config_noinit:
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允许 .noinit 段放入片外存储器
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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。
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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`。
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.. only:: SOC_SPIRAM_XIP_SUPPORTED
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.. _external_ram_config_instructions:
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将 flash 中的指令移至 PSRAM
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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。
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启用 :ref:`CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS` 选项后：
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- flash ``.text`` 部分中的指令将在系统启动时移至 PSRAM。
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- 上述指令对应的虚拟内存范围也将重新映射至 PSRAM。
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如果同时启用 :ref:`CONFIG_SPIRAM_RODATA`，SPI1 flash 操作期间不会禁用 cache。ISR、ISR 回调和相关数据无需放在内部 RAM 中，因此可以优化内部 RAM 的使用。
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.. _external_ram_config_rodata:
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将 flash 中的只读数据移至 PSRAM
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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。
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启用 :ref:`CONFIG_SPIRAM_RODATA` 选项后：
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- flash ``.rodata`` 部分中的指令将在系统启动时移至 PSRAM。
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- 上述只读数据对应的虚拟内存范围也将重新映射至 PSRAM。
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如果同时启用 :ref:`CONFIG_SPIRAM_FETCH_INSTRUCTIONS`，SPI1 flash 操作期间不会禁用 cache。ISR、ISR 回调和相关数据无需放在内部 RAM 中，因此可以优化内部 RAM 的使用。
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片外 RAM 使用限制
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使用片外 RAM 有下面一些限制：
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* 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。出于这个原因，ESP-IDF 不会在片外 RAM 中分配任务堆栈（详见下文）。
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.. only:: SOC_PSRAM_DMA_CAPABLE and not esp32s3
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* 片外 RAM 不能用于储存 DMA 事务描述符，也不能用作 DMA 读写操作的缓冲区 (Buffer)。因此，当片外 RAM 启用时，与 DMA 搭配使用的 Buffer 必须先使用 ``heap_caps_malloc(size, MALLOC_CAP_DMA | MALLOC_CAP_INTERNAL)`` 进行分配，之后可以调用标准 ``free()`` 回调释放 Buffer。注意，尽管 {IDF_TARGET_NAME} 中已有硬件支持 DMA 与片外 RAM，但在 ESP-IDF 中，尚未提供软件支持。
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.. only:: esp32s3
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注意，尽管 {IDF_TARGET_NAME} 中已有硬件支持 DMA 与片外 RAM，但仍有以下限制：
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- DMA 访问外部 RAM 的带宽十分有限，尤其是当 CPU 同时访问外部 RAM 时。
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- 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>`。
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* 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，访问速度将回落到片外 RAM 访问速度。此外，访问大块数据会挤出 flash cache，可能降低代码执行速度。
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* 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。
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可以使用 :ref:`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 :cpp:func:`xTaskCreateStatic` 指定从片外存储器分配的任务堆栈缓冲区，否则任务堆栈将会从片上存储器分配。
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初始化失败
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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。
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.. only:: esp32 or esp32s2
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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。
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.. only:: not esp32
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加密
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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。
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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:`Flash 加密 </security/flash-encryption>`。
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.. only:: esp32
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.. include:: inc/external-ram-esp32-notes.rst
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.. _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
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.. _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
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