一、Cache
& C; g" \7 A; A" Y: @4 Q, U- h  [2 A
1、介绍
7 X& l) r( c5 t+ s6 e& W. V5 a4 T
        Cache又分数据缓存D-Cache和指令缓冲I-Cache，STM32H7的数据缓存和指令缓存大小都是16KB。STM32H7主频是400MHz，除了TCM和Cache以400MHz工作，其它AXI SRAM，SRAM1，SRAM2等都是以200MHz工作。数据缓存D-Cache就是解决CPU加速访问SRAM。
: E$ C. P( p4 j1 v2 q
        如果每次CPU要读写SRAM区的数据，都能够在Cache里面进行，自然是最好的，实现了200MHz到400MHz的飞跃，实际是做不到的，因为数据Cache只有16KB大小，总有用完的时候。

0 W; A0 p6 r, b) t" A2、操作，分为读操作和写操作
" \& _! J! \5 J4 W- J! @
        读操作： 如果CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，这就叫读命中（Cache hit），如果Cache里面没有怎么办，这就是所谓的读Cache Miss。
9 h, T# Y, q) o, X$ r$ Z
       写操作： 如果CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域（专业词汇叫Cache Line，以32字节为单位），这就叫写命中（Cache hit），如果Cache里面没有开辟对应的区域怎么办，这就是所谓的写Cache Miss。
4 d8 t3 s3 h& d9 l" s
  h- f( ?) M- ~2 z$ Y& M3、H7支持的Cache策略，共4种
4 Q6 A+ ~8 J: f+ n
: D: s) P- Y- O2 X2 t/ M, X  ]

<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>

* i: T% [4 E) E& _<透写：如果Cache中有，写数据也要同时写到Cache和RAM。>
  b# j2 }, q" u1 N9 F  a1 y
<write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么就要在Cache中开辟一个空间，把数据写入Cache，同时把RAM中的相邻数据加载进来填充Cache。>
9 @  Q  |+ w9 G; e! t/ d1 H
2 [- t- h7 M  ]<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>
+ W' q! ~  X! F% w2 E6 s, ~
( J' Y- }0 L9 n% Y5 z<read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么就要在Cache中开辟一个空间，把数据从RAM中加载进来，后续的读操作，就可以直接从Cache中读取了。>
6 @2 V; l+ L; P- f
<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>
. `+ Z! J% U& ^, W& G
' E! Y% p+ Z( n5 p  l4、风险
5 Q; q4 i0 p' v' r; d& d: u/ t/ S
- G7 `+ ~" q0 `+ t  h- y$ i

  f2 Z% v) Q' \. V; S        从上面的图就看出来使用Cache的风险，因为DMA是直接与SRAM交换数据的，而CPU与SRAM之间隔了一个Cache，如果DMA更新了某个数据到SRAM，CPU要去访问，而恰好Cache中有，那么CPU就不会去SRAM中拿，就会拿到Cache中已经过时的数据。因此使用了DMA的内存区要配置为无Cache或者拿数据前清一次Cache。
3 N* R1 H) k2 I/ ]  y
9 i6 C# @8 I: G- y5 b# ]' j5、相关函数
7 Q" |' W9 {/ V4 c- c( w
        SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。
8 \6 V' }$ o* s* j
        SCB_DisableICache(void) ：用于禁止指令Cache。

        SCB_InvalidateICache(void) ：用于将指令Cache无效化，无效化的意思是将Cache Line标记为无效，等同于删除操作。这样Cache空间就都腾出来了，可以加载新的指令。

( b/ N0 A) n' {4 x        SCB_EnableDCache(void) ：用于使能数据Cache，系统上电后优先初始化即可。

1 u) B. A' q: x  h/ O        SCB_DisableDCache(void) ：用于禁止数据Cache。
  |! b7 e" M& a
        SCB_InvalidateDCache(void) ：用于将数据Cache无效化，无效化的意思是将Cache Line标记为无效，等同于删除操作。这样Cache空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
$ q4 s# E: Q" a. w
# f% ^! f( Z, k, f- z, [, J( |6 w$ z9 v        SCB_CleanDCache(void)：用于将数据Cache清除，清除的意思是将Cache Line中标记为dirty的数据写入到相应的存储区。
- T" [5 `0 B2 H0 t( F0 u# p
        SCB_CleanInvalidateDCache(void) ：此函数是前面两个函数SCB_InvalidateDCache和SCB_CleanDCache的二合一。将Cache Line中标记为dirty的数据写入到相应的存储区后，再将Cache Line标记为无效，表示删除。这样Cache空间就都腾出来了，可以加载新的数据。

        SCB_InvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要32字节对齐，大小要是32字节的整数倍。用于将数据Cache无效化，无效化的意思是将Cache Line标记为无效，等同于删除操作。这样Cache空间就都腾出来了，可以加载新的数据。

% O. |) q  ~* P3 }. y        SCB_CleanDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要32字节对齐，大小要是32字节的整数倍。用于将数据Cache清除，清除的意思是将Cache Line中标记为dirty的数据写入到相应的存储区。
# \- y& V& |2 U: X
3 W1 f. J1 w& V: J6 n5 v        SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要32字节对齐，大小要是32字节的整数倍。将Cache Line中标记为dirty的数据写入到相应的存储区后，再将Cache Line标记为无效，表示删除。这样Cache空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
$ G" v7 d* T) s3 K: s' Z
. \( d4 A- b9 t/ t  N5 r

二、MPU

' g8 V: |4 ]; v; `0 J. M1、作用

* Y5 q! G, ~) Y; [4 P3 {7 X        防止不受信任的应用程序访问受保护的内存区域； 防止用户应用程序破坏操作系统使用的数据；通过阻止任务访问其它任务的数据区；允许将内存区域定义为只读，以便保护重要数据；检测意外的内存访问。 简单的说就是内存保护、外设保护和代码访问保护。

2、MPU可以配置的三种内存类型
  i( ?6 A6 p& s0 O1 r6 N6 ^' n% I
. o: k: y& E: _. n+ L" D. g1）、Normal memory
* p/ R/ t: v. C, w  U3 f
5 L( Y/ |8 j: X! V$ A) z        CPU以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，对于这种内存区，CPU的加载或存储不一定要按照程序列出的顺序执行。
1 \, {  L9 A7 V" n$ ^& D
& I. l% F" e" l, J  `& ~2）、Device memory

5 E/ H- A/ \7 w3 H1 U- ]3 ?* n7 v        对于这种类型的内存区，加载和存储要严格按照次序进行，这样是为了确保寄存器按照正确顺序设置。
; T% u4 U8 r3 b  e" }8 f/ o' i$ g
  i" _6 `' Z0 ]: N3）、Strongly ordered memory
" g/ O+ Q% p9 T/ P: E
7 D0 ^7 F# s  }$ [/ h, B        程序完全按照代码顺序执行，CPU需要等待当前的加载/存储指令执行完毕后才执行下一条指令。这样会导致性能下降。

3、MPU的使用

! g2 T6 k' c  {# g! O        MPU可以配置保护16个内存区域（这16个内存域是独立配置的），每个区域最小要求256字节，每个区域还可以配置为8个子区域。由于子区域一般都相同大小，这样每个子区域的大小就是32字节，正好跟Cache的Cache Line大小一样。

        使用时把一段连续的内存区配置为一个MPU保护区域，然后再配置这个MPU保护区域的特性。比如128KB的DTCM、64KB的SRAM4、32MB的SDRAM。MPU保护区域的特性使用MPU_RASR寄存器来配置，描述如下：
. H% y- }2 C6 N

: y0 F" M. ]+ b6 D% U5 ]9 R! i
1）、XN：用于控制这个MPU保护区域能否执行程序代码。
9 d  Z- @: t0 Z5 j2 c) v$ A
' `7 ?% h' Q5 ~6 J2）、AP：用于控制这个MPU保护区域的特权级和非特权级的读写访问权限。

/ ?0 \* K2 y& X2 P& l* |1 K

/ L$ c8 q  D5 ^2 r5 m3）、TEX、C、B、S：H7支持4种Cache策略，这几位就是用来控制这个MPU保护区域使用哪一种。
( R; i" M7 a. T  _6 b2 ?/ c6 S
+ [" R, x5 L: {" l/ n9 s

( X) `0 y$ ~" W& C5 t
S位用于解决多总线或者多核访问的共享问题，一般不要开启。
5 ?- k$ V% P: ~9 v2 W
4）、SRD：这个位用于控制内存区的子区域 ，使用的是bit[15:8]，共计8个bit，一个bit控制一个子区域， 0表示使能此子区域， 1表示禁止。一般情况下，取值0x00，表示8个子区域都使能。

( D3 e% K  I1 A4 ~* T; j5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。
$ N: C( V/ u6 m" ^' p" O
三、HAL配置例程

1. //设置某个区域的MPU保护
   . m+ A& W: m. X, N) X/ P8 d  @
2. //baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址)
   
3. //size:MPU保护区域的大小(必须是32的倍数,单位为字节),可设置的值参考:CORTEX_MPU_Region_Size
   ( a4 l; g( K" d. z* ]
4. //rnum:MPU保护区编号,范围:0~7,最大支持8个保护区域,可设置的值参考：CORTEX_MPU_Region_Number
   
5. //ap:访问权限,访问关系如下:可设置的值参考：CORTEX_MPU_Region_Permission_Attributes
   . i+ r1 N' d  ^1 S& g$ l( e
6. //0,无访问（特权&用户都不可访问）
   
7. //1,仅支持特权读写访问
   
8. //2,禁止用户写访问（特权可读写访问）
   & Z& h  ~8 M& y* `! o) w
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
   0 }6 E; D/ ^0 }" f0 g7 l  R4 E1 o5 E
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    
11. //5,仅支持特权读访问
    ; X* R& A3 D5 F# e
12. //6,只读（特权&用户都不可以写）
    - V! X! ]" N! c! e3 p+ S0 [, S3 [
13. //详见:STM32F7 Series Cortex-M7 processor programming manual.pdf,4.6节,Table 89.
    
14. //sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
    
15. //cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许
    
16. //返回值;0,成功.
    
17. //    其他,错误.
    ; S, A; B; O: Y8 R+ x7 w) ~& b
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    7 o/ a. |: Q3 q! z& }
19. {
    9 Q* g  b3 \; W$ `' w& D
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    ) \8 O0 O" v4 Q: {' z- F  F/ T
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    
22. 
    
23.         MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE;                                //使能该保护区域
    
24.         MPU_Initure.Number=rnum;                                            //设置保护区域
    
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    + b& q  d; g7 Q, M2 Q8 S
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
    2 {8 V% U& J! y  ^8 d/ s
28.         MPU_Initure.TypeExtField=Tex;                           //设置类型扩展域
    
29.         MPU_Initure.AccessPermission=(u8)ap;                            //设置访问权限,
    
30.         MPU_Initure.DisableExec=MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;        //允许指令访问(允许读取指令)
    
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    + f9 Q! V7 l0 p& W1 [: I; i4 S
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    
36.     return 0;
    
37. }
    & S0 {0 U9 @1 w+ c, U1 W% I  |) ?
38. 
    
39. //设置需要保护的存储块
    3 L- O' A- @3 C  Z
40. //必须对部分存储区域进行MPU保护,否则可能导致程序运行异常
    7 d5 ?$ J' N2 o, O7 T' w# L
41. //比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
    ' [1 y) L9 L! [- F! Y
42. void MPU_Memory_Protection(void)   //特意把SRAM4设置为不允许cache，使用DMA的变量可以放在这里。但要注意相应DMA能否访问SRAM4
    
43. {
    
44.         MPU_Set_Protection(0x20000000,MPU_REGION_SIZE_128KB,MPU_REGION_NUMBER1,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护整个DTCM,共128K字节,禁止共用,允许cache,允许缓冲
    % C& r8 e. E$ h7 u3 i
45.         MPU_Set_Protection(0x24000000,MPU_REGION_SIZE_512KB,MPU_REGION_NUMBER2,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护整个内部SRAM,包括SRAM1,SRAM2和DTCM,共512K字节
    
46.         MPU_Set_Protection(0x30000000,MPU_REGION_SIZE_512KB,MPU_REGION_NUMBER3,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护整个SRAM1~SRAM3,共288K字节,禁止共用,允许cache,允许缓冲
    0 B: c5 J  ~( B0 q
47.         MPU_Set_Protection(0x38000000,MPU_REGION_SIZE_64KB ,MPU_REGION_NUMBER4,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,0,1,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护整个SRAM4,共64K字节,禁止共用,不允许cache,允许缓冲
    5 M% U' g. f0 v% l$ X8 F
48.         MPU_Set_Protection(0x60000000,MPU_REGION_SIZE_64MB ,MPU_REGION_NUMBER5,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,0,0,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护MCU LCD屏所在的FMC区域,,共64M字节,禁止共用,禁止cache,禁止缓冲
    & A  Q' X* u5 c+ `
49.         MPU_Set_Protection(0xC0000000,MPU_REGION_SIZE_64MB ,MPU_REGION_NUMBER6,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0);        //保护SDRAM区域,共32M字节,禁止共用,允许cache,允许缓冲
    0 }6 _9 k$ h) i* D6 i* s. M/ Q
50. }

复制代码

6 a, ~# _6 m  E1 e: r/ a, J四、其他

( H7 ~6 i. ?& Q1 P" O  E1 X% q        值得一提的是，LTDC也是直接从RAM拿数据的，如果你使用了GUI（比如EMWIN），你的显示数据可能会暂存在Cache，而LTDC直接从RAM拿数据，就可能造成画面撕裂、重影、斑点之类的问题。解决方法是，把显存设置成透写。

6 ~7 o$ e- d6 g9 n        从下面的图可以看到，Cache是在M7那个框里面的。而框外面的外设都可以直接与RAM交换数据，因此使用外设操作数据时都要考虑一下Cache的影响，不然异常可能难以预料。

0 t/ D6 r* Z. J/ k2 ~1 F: B
) [, K  k' x: S6 g7 A