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。

+ X' @$ t* X  a

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。

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。>

: ?; g% _% [/ k# y6 V  L* ^

4、风险
4 R7 y1 u- p4 v2 e  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。

. \2 k5 N8 p" P) n6 r

5、相关函数

1. SCB_EnableICache(void)

复制代码

7 q1 C6 o; W0 E" x  W6 N

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)

复制代码

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)

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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。

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：

+ S% q) m% h- p* V/ p' C5 k1）、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。
/ j6 ^: x- n, p7 b# I' a( U' S
. E, R5 ?5 J$ O9 F8 w3）、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。
+ S7 d, O) n( W) p" Y/ Q9 ?5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

三、HAL配置例程

1. //设置某个区域的MPU保护
   
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
   % E& s( _' G4 M; J6 t
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
   
6. //0,无访问（特权&用户都不可访问）
   ! t$ l7 B& R$ G* h: s
7. //1,仅支持特权读写访问
   2 V" v( H: Q/ K0 @0 B4 m! g
8. //2,禁止用户写访问（特权可读写访问）
   
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
   
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    1 D: u; v( I3 I$ l
11. //5,仅支持特权读访问
    4 a- m- ~0 q$ w+ s' m, O6 P' q4 g
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
      h5 N$ ?4 i8 d' L6 @
15. //cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许
    $ X- p0 x: e7 j! j
16. //返回值;0,成功.
    
17. //    其他,错误.
    ) ]& H8 g* O8 V  T7 W
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    0 y8 w' \/ B4 V$ a9 C5 e( d/ l; H
19. {
    ( Q. R& H% C' y1 ?7 Q1 w
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    $ V6 Y! `1 Z. T# z: Z# }% l
22. 
    ! d1 L5 I' f9 _! n$ i- i/ M
23.         MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE;                                //使能该保护区域
    , {7 ]% H0 k  K: Z& R
24.         MPU_Initure.Number=rnum;                                            //设置保护区域
    1 ^. Y6 h( ?# W( a- y- }8 Y: u
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    - I0 w7 _. J/ C& s, a
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
    
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)
    * e1 H+ b1 ]2 `+ ^% r; V
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    : o( E( P# ]* W) }9 _
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    4 j( G; t  E9 ^& r% u- p5 }" {
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    ( z8 [; X+ V2 ]' h& ?: b
36.     return 0;
    2 ?3 f8 z1 C4 P5 ]. u* y
37. }
    
38. 
    ) a  m  d; K# F9 Y5 `. m
39. //设置需要保护的存储块
    # _+ p" c# o* D& _
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...
    + F1 E5 c  }  T6 q7 L" Q/ s* a
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. {
    + Z, @. S; N" V+ O/ P  s- I1 X5 ^
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
    
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
    
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
    " \* x2 q" L( P8 X
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
    " E5 @. }/ b. D  ?9 z' r
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. }
    

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, j; a8 N* R7 R! v& f; m$ k5 v

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。
   
2. 
   / t5 F* B1 d3 Q" W7 w% q
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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$ j! D! P$ g5 y9 a) R5 S

+ I8 L" Z5 e" T: K/ _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
) Q' f& t1 }5 l! m7 G0 `* ~; q! pIROM1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：
' p! |$ a+ x: k0 s& g7 ^
& G+ C+ ?1 P4 L$ `8 w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。
0 u) u3 n" i( }: V1M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。
{
1、TCM分为ITCM（运行代码）和DTCM（数据存取）
& [# r) r& H" o0 X* j( `- `2、速度400MHZ
3、DTCM地址：0x2000 0000，大小128KB
; x3 R8 O0 M" ?% ?; aITCM地址：0x0000 0000，大小64KB
}
AXI SRAM 区
" g, j0 \, a7 H8 s0 u{
1、位于D1域，挂在A**线
# H; I$ w' K. t; b2、速度200MHZ
3、地址：0x2400 0000，大小512KB

}
SRAM1，SRAM2,SRAM3 区
" O0 A7 [- l. B9 p. u3 y- f{
1、位于D2域，挂在AHB总线
2、速度200MHZ
% l) `' l' j, ~3、SRAM1地址：0x3000 0000，大小128KB
SRAM2地址：0x3002 0000，大小128KB
, z# v6 @, [' ]SRAM3地址：0x3004 0000，大小32KB
}
SRAM4区
; w) `+ T5 R2 W2 w& K. ~' [{
0 _% h" R( f6 f1、位于D3域，挂在AHB总线
. k+ @. Z. `- d  A; B5 Z3 [2、速度200MHZ
, q/ A" ^) y5 ]. d0 B3、地址：0x3800 0000，大小64KB

}
+ t! x4 |6 ]8 u+ W8 v" h- GBackup SRAM区
{
4 l/ ?, h0 ~7 I7 t1 Z* d  ^) V0 I# y1、位于D3域，挂在AHB总线
: q' w& Z5 P$ O. K" _6 M! Z2、速度200MHZ
- o% f# `( j. ]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。

7 w/ z- L) C8 N4 ?! W; ^8 E

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？