一、Cache

1、介绍

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。

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。

2、操作，分为读操作和写操作

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。

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。

. M# [. M  z+ r( V  U+ m$ x

3、H7支持的Cache策略，共4种

<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>

<透写：如果Cache中有，写数据也要同时写到Cache和RAM。>

<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。>

<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>

<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。>

<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>

4、风险
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。

5、相关函数

1. SCB_EnableICache(void)

复制代码

# C0 p  M& ^0 H

上面那个函数用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。

1. SCB_DisableICache(void)

复制代码

上面那个函数用于禁止指令Cache。

1. SCB_InvalidateICache(void)

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上面那个函数用于将指令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。

1. SCB_EnableDCache(void)

复制代码

上面那个函数用于使能数据Cache，系统上电后优先初始化即可。

1. SCB_DisableDCache(void)

复制代码

上面那个函数用于禁止数据Cache。

1. SCB_InvalidateDCache(void)

复制代码

上面那个函数用于将数据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。

1. SCB_CleanDCache(void)

复制代码

上面那个函数用于将数据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。

1. SCB_CleanInvalidateDCache(void)

复制代码

上面那个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。

1. SCB_InvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)

复制代码

. v- S5 L- p& E3 u* ?" C) b: m  |, o

上面那个函数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。

1. SCB_CleanDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)

复制代码

上面那个函数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。

1. SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)

复制代码

上面那个函数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。

$ f" U' \' Q# q7 k+ X, W2 w

二、MPU

1、作用

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

1）、Normal memory

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。

2）、Device memory

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。

3）、Strongly ordered memory

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

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：

1）、XN：用于控制这个MPU保护区域能否执行程序代码。

2）、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。
3 Q! G' w3 H, }' l. G; y$ [
# M( |) p' J" _0 N% W! ^3 z3）、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。
# K7 `1 U+ ?( b( {. m0 x( F% R* o
/ _7 S. [1 o, L2 F5 h# I% oS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。

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。
" _5 Y9 f. C8 ~* V, ]7 ]2 V3 R5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

8 C. `: Z3 b6 f. p% ~三、HAL配置例程

1. //设置某个区域的MPU保护
   9 x1 w! B% @' o% x# ^0 g6 A
2. //baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址)
   - R6 S& B1 G1 m; h' M# w: R
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
   % l' J5 @" S1 K* `) y
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
   7 m5 m6 k! G$ T9 Z0 Z
6. //0,无访问（特权&用户都不可访问）
   7 W. K+ y, s# J  Y( @* _
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）
   ! r  N" s& T: p* g4 j+ z: a
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
   1 U) K; V: j* W7 o# y
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    7 f* J" f4 K: c" j8 G
11. //5,仅支持特权读访问
    ; N/ t  C4 {. O  Z# z
12. //6,只读（特权&用户都不可以写）
    
13. //详见:STM32F7 Series Cortex-M7 processor programming manual.pdf,4.6节,Table 89.
    ; a4 j  v, M+ `* [3 z. h
14. //sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
    . q$ {" k% c$ t! T$ T
15. //cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许
    4 t* Q) `4 U! z4 C8 V+ C
16. //返回值;0,成功.
    ; Z7 n$ j0 {' C7 z5 a* L; G
17. //    其他,错误.
    
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    ( P; \/ D, R# C2 f0 q1 O( \* m# s
19. {
    9 ]& C0 `) W& @8 h
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    - G* H) d# H4 X* C) ^' N
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    2 ]% A) |# Y* h2 s3 b1 i' u
22. 
    $ A. n) A& L  ?' ]. k; W0 D: g7 s. k9 j
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
    ! ?, R' D' G7 [' G3 @+ F6 h
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    5 @* Y# F* k* J! z. V6 [
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    & N' R7 S8 Q3 v; @( v/ f) n
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
    
28.         MPU_Initure.TypeExtField=Tex;                           //设置类型扩展域
    / W& Y4 `" {/ f6 j
29.         MPU_Initure.AccessPermission=(u8)ap;                            //设置访问权限,
    , }# B) U! ~' f- M! g0 d; P
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
    7 ^# t9 m: e, g/ m
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    6 v+ ^  R9 V9 X' I
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    
36.     return 0;
    
37. }
    ; W8 [) H6 m1 {3 G3 J# e
38. 
    
39. //设置需要保护的存储块
    * c! g, O0 A9 o
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
    
41. //比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
    
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
    , o6 a, Q3 z$ \# ^: N8 I! k
43. {
    ) c; u) \( ]) e% u
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
    1 ~5 j. v" d& L
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
    8 |' @  S+ j9 k
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
    ( Y4 n/ ~2 J" h9 b$ O
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
    ! j7 u: P  D7 [* B3 x+ v0 Q
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
    / K- A4 \, Z: y9 A
50. }
    

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! n2 S6 N) S+ k/ Q3 G
: a3 D5 p) v( m" ^/ E& b

四、其他

1.     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。
     g' g( f+ d2 q4 _- H0 G' B: l
2. 
   
3.     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。
   

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( x1 |1 k3 {0 Q) o

& t3 c: K) d; x+ ]7 K
2 `$ [  F& l7 U7 N6 U三、H7的内存分配以及总结

首先呢，大家在使用H743 的时候，在keil或者iar中，有一个内存的勾选，如下图
4 `- F0 S1 P) U' a1 _0 NIROM1表示flash的内存地址，h743是2M，所以，大小自然是2M，起始地址可以在参考手册中找到，如下图，这个比较容易理解，程序就是从这开始运行：
/ j0 h+ u! X/ C- h
其次，是RAM，743内部有1M，那么这1M怎么分的呢，直接说结论，从地址0x2000 0000开始到（0x3880 0000+64k）结束，加起来是1M,问题来了，为什么我们配置的时候要用0x2400 0000开始的512k呢？不知道大家看参考手册看的怎么样，开头讲了ram 的分配。
1M的RAM,分成了5大类，TCM、AXI 、SRAM1/SRAM2/SRAM3/SRAM4、BACK，他们所在的区域不同，TCM包含ITCM和DTCM，地址0x2000 0000的128K，位于D1域，ITCM主要用来存取程序代码，也就是执行命令，DTCM用于数据存取。先把所有的内存分配做个总结再说。
  s# ]5 z- A; h& h8 _( p, M{
" p4 m" x3 ^  N: _1、TCM分为ITCM（运行代码）和DTCM（数据存取）
. C* v6 W) I9 K9 M" i. p2、速度400MHZ
3、DTCM地址：0x2000 0000，大小128KB
ITCM地址：0x0000 0000，大小64KB
9 s# Z# C, Z& v7 w# B6 R3 J# d}
AXI SRAM 区
( d' P6 H2 y0 x0 Y' G{
/ _3 W+ [7 u4 s# I' O5 G% U& N. }1、位于D1域，挂在A**线
5 E, z5 X& V& c  q/ {3 _2、速度200MHZ
# ?+ j* D4 E2 i+ ]1 C# h4 Z0 c3、地址：0x2400 0000，大小512KB

}
SRAM1，SRAM2,SRAM3 区
{
1、位于D2域，挂在AHB总线
1 I0 K5 q2 L2 C' C% @' Z7 U8 M: u; n2、速度200MHZ
7 N% }. h" e. C+ N) M' @$ L3、SRAM1地址：0x3000 0000，大小128KB
# O% t- \3 J: H8 s' D7 _SRAM2地址：0x3002 0000，大小128KB
SRAM3地址：0x3004 0000，大小32KB
( y1 ]0 Y3 M) ?: `4 z. U2 I}
' ]6 `! Y/ H$ n$ n" K4 Z8 A, TSRAM4区
{
1、位于D3域，挂在AHB总线
4 d; C/ O! U" K# j1 U2、速度200MHZ
3、地址：0x3800 0000，大小64KB

}
Backup SRAM区
% E! S0 T! X# Z+ M{
: B3 ~8 x! K4 h" W6 k1、位于D3域，挂在AHB总线
' s3 L* G* B. X& u. k2、速度200MHZ
3、地址：0x3880 0000，大小4KB

}

ok，还是原先的问题，为什么要用0x2400 0000开始做程序的主RAM呢，原因在于，如果用户使用了SDMMC1，也就是比如SD卡的dma功能，或者其他用到了SDMMC1的话，该主设备只接AXI RAM，不能使用其他RAM读取，可以不用，声明变量的时候使用at section指向AXI地址也是可以的。

其他几个RAM，需要跟BDMA用的时候进行区分，有些是不支持BDMA的。剩下的就没啥了，其他内容可以看下参考手册第二章。

如果大家功能少的话，可以使用DTCM来当主RAM，毕竟速度最快，但是用到了相关DMA的话，还是换成AXI吧。野火的代码里面默认是使用这个。

9 U5 L$ o2 M( {

core_cm7.h更新到5.1.1版本后，发现该函数对dsize做了32字节对齐，但是op_addr地址32字节对齐却注释掉了？，图片的这句话是不是说SCB->DCCIMVAC寄存器仅31-5位是有效的，本身已经强制32位对齐了？我在编程手册上也没找到对DCCIMVAC寄存器的详细描述，请问调用该函数是不是可以直接传入地址和数据了，不需要再对地址和数据进行32位对齐了？