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