一、Cache
3 A. L: I2 c& V
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。

  d" M- ]% [! m( X& ]        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。
4 ^  G- I6 l! V! U- p5 M) h; M
2、操作，分为读操作和写操作
! Y% v+ K: J9 j/ a- e8 P) c
0 p) l4 M3 M( ?9 }" h- `        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。

3、H7支持的Cache策略，共4种
3 A( f7 f. v+ r' Y

8 n1 f$ J8 _* M) V% P- v7 i( r
4 g' F7 a2 q' K<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>
+ f9 ~+ o1 x8 F& ^: l
) A- G. [' R9 F2 Y1 g<透写：如果Cache中有，写数据也要同时写到Cache和RAM。>

: B' r. V$ I3 C0 n; y4 i" w<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 W' M! f0 y$ L
9 e9 K4 ~7 W3 l4 S" _3 H9 _<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>
: {; n- ?/ G5 v  ?3 G) S( u
. k3 z' c' m7 @5 M! K<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 Q7 A8 i/ U! R<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>

4、风险
- i5 s# Y1 v$ `' K/ ~/ Y& J" \
- r& s+ v% Z; g: p+ S+ U  _6 a' F! ~7 I/ m

8 T" x9 `, L6 P        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

        SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。
9 e: ?! _' h3 N- k
        SCB_DisableICache(void) ：用于禁止指令Cache。
$ c  J" W- P& L* U  M
. p# R+ H' o+ p/ a' s        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。

% ]" Z* Y/ y  x1 _1 r; b( s# c- a- O        SCB_EnableDCache(void) ：用于使能数据Cache，系统上电后优先初始化即可。
% r* K2 H5 c1 |7 I' i4 x* H: q8 @
        SCB_DisableDCache(void) ：用于禁止数据Cache。

        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。
  D9 m3 L* ], O  Y
        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。

3 _2 F4 U+ O$ L( m. d) Z! E, O" k        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。
' N3 C4 A9 y$ h$ I! p: x
  `- _1 D5 ?( G% v$ r        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。
' P: o- x2 H" P! a. v$ D! c
        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。
" x) k5 M3 _4 `+ ]) Y
        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。



二、MPU

- t& T* m: i* ]# ^$ V1、作用
7 \: Z( w" t1 ?2 m2 \! l
        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。

' m1 A" M6 b2 f% f1 t. V2 F$ l6 t2、MPU可以配置的三种内存类型
: G% \) f+ H) P3 \1 F
1）、Normal memory
- }( W7 p5 W& d1 N. Y* N3 O8 ]
' {% ~# r8 L, k# J9 ]4 P        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 t3 F" v( U* L3 L6 m" ?0 |
2）、Device memory
7 p6 s- ?  R+ f
        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。
4 p' V6 r2 f7 N2 ~! ?* y* ~
5 g$ I/ W2 ?. o6 X) Q& V3）、Strongly ordered memory
- Q5 b1 N' n7 t) I' Y: f% h
9 C: N. p! g- {: }& J5 ?        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。
4 a  A, Q: w% B% p$ u: l) c, C
0 X- A3 Z+ ~9 J+ G) X0 F3、MPU的使用
/ \1 G! B) K9 R4 r: F0 q) m+ W$ _
) T) L/ k" n" U- `$ z* k        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：
6 c4 d( ^9 L7 G' Y
! Q1 n+ n4 Z# U- o4 R

2 _/ q- |5 V6 S! u+ a0 \
1）、XN：用于控制这个MPU保护区域能否执行程序代码。

, v9 u+ O9 f: b: u2）、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。

& k7 M- S" k- y0 k' i* z& i# W

+ g( G. y$ n! h9 p# ?2 l, l
3）、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。

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。

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。
4 r8 c# O; D" p6 I) Y
5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

4 q3 s7 a7 }/ r# V* j三、HAL配置例程

2 Z8 g1 T! }. w. v

1. //设置某个区域的MPU保护
   9 ?. O% X' B6 Q, e" Y. F5 i- W
2. //baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址)
   0 v2 U9 B8 A/ E* e6 F
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
   ; H- V7 ~: G2 C% }  J( p" `8 L& [
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
   $ Q- Z- J. o  L* _8 o; u6 P4 q" W) g
6. //0,无访问（特权&用户都不可访问）
   ; e5 b( q- ?- ]3 S2 A
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）
   - S9 E! O% H7 V: D* g* l& ^7 E2 K
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
   * m6 q/ }8 v* \# c3 ^
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    
11. //5,仅支持特权读访问
    4 n% j+ J* Y6 N! W9 S
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.
    
14. //sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
    . c! C: F9 E, l0 m( Z. H3 l9 ^
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.
    + r" E5 d! |4 n! G" }
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    + s8 r" f0 `" Z  g
19. {
    + Y) A$ B$ R$ ~8 I
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
      c6 H) b& [" F( ~
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    2 a8 `( x' f. F7 X; ]  ?- `
22. 
    % a+ X/ b# H# t- B# I. J: M
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
    
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
      E' h; w( K7 U' z3 E- q# m8 S
28.         MPU_Initure.TypeExtField=Tex;                           //设置类型扩展域
    + T8 v8 [  _- r" g) J. a
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
    
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    6 L6 ?! U( y, F- U$ d; }: e- s
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    
36.     return 0;
    7 Y8 B* l. k* _1 w7 f- a" K/ W
37. }
    ) ?- l: s9 N% L' f; M1 W
38. 
    ! _: u- W% ^1 _2 g. ^, j; x. m) `. {
39. //设置需要保护的存储块
    + k! }) T2 K3 O( [! A& G
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
    6 T+ C2 I0 e7 |. c' B' s
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
    
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
    
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
    7 x" s8 P5 z0 \3 ^0 f3 d
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
    ( X8 t8 g7 V$ L. K+ Z
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
    
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
    # r. L+ {$ J4 V7 n
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
    
50. }

复制代码

4 ^& ]: J. ~1 Z: S* U四、其他
) U  U$ c0 s! [$ E' b) l/ p
  q# c" H4 g; X* P* X4 _        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。
' G5 Q3 H0 K3 A) ]$ x/ O7 o
& n- x% L1 ~" \: [        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。

& `9 T: D4 r2 H! N8 S( V; R

6 T* [# J) q+ ?7 E+ v! }
% o9 e$ L, p: }$ X$ P0 n
' u0 Q2 D- C& E) r0 Y9 z