【经验分享】STM32H7的Cache和MPU

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STMCU小助手发布时间：2021-12-18 17:42

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文章简介:	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。

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。

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

      SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。

      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。

      SCB_EnableDCache(void) ：用于使能数据Cache，系统上电后优先初始化即可。

      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。

      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。

      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。

      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。

      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

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）、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。

5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

三、HAL配置例程

//设置某个区域的MPU保护* T) g- Y+ L0 T: K. ?
//baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址) {# D$ J; V$ F/ T1 k# I3 U) X4 }
//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: G& }! U1 }, y5 ?8 v8 C0 k8 b
//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
; d |- D( Q# |: U- k+ @ U
//ap:访问权限,访问关系如下:可设置的值参考：CORTEX_MPU_Region_Permission_Attributes
5 K+ b) Y5 Y5 N& U
//0,无访问（特权&用户都不可访问）
. _* h4 n: ^$ D( s
//1,仅支持特权读写访问
# o6 f0 s# W- N2 I5 _( T+ Y
//2,禁止用户写访问（特权可读写访问）! S8 x1 A' ?1 ?
//3,全访问（特权&用户都可访问）$ |: P) m+ T+ E' S M, d9 }
//4,无法预测(禁止设置为4!!!)
+ S$ v4 I1 `1 ~; g) \/ o& D
//5,仅支持特权读访问
. L4 g7 k' |; M3 @2 z) A: P2 g
//6,只读（特权&用户都不可以写）; E& w( x/ y5 K$ l6 S( [
//详见:STM32F7 Series Cortex-M7 processor programming manual.pdf,4.6节,Table 89.% z- p* V; n5 w( |) Y6 q( G5 n
//sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
' W( a3 d7 n, B1 u) g6 x* @5 O3 f/ _
//cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许" n( ~; P8 I3 k w# H" h5 Y
//返回值;0,成功.& C8 f5 S' U. v
// 其他,错误.) b' m' ^; O ^/ o5 F& B& X
u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
9 }2 n4 c5 Q7 S
{/ u& |- R( \& g: o- X5 D& `
MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
$ n- m( K5 L7 B+ W
HAL_MPU_Disable(); //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU* H: ?4 y+ G$ I C% y
/ Q5 _/ C0 W* L' T. f. [$ K& X: X: o
MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE; //使能该保护区域
& h) T) e, [1 L. D. t
MPU_Initure.Number=rnum; //设置保护区域8 b6 o% v) `6 g T; P% o
MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr; //设置基址
- X4 M, `6 ~3 _0 s$ ]; Z
MPU_Initure.Size=size; //设置保护区域大小. M X. y: F2 y* j2 [+ z% x9 r
MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00; //禁止子区域
: E6 ?4 I* z/ T
MPU_Initure.TypeExtField=Tex; //设置类型扩展域
5 H& Z3 J5 i4 T% V6 t" [
MPU_Initure.AccessPermission=(u8)ap; //设置访问权限,& E4 i9 X' J' i4 `* b& y" v" x
MPU_Initure.DisableExec=MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; //允许指令访问(允许读取指令)
* c- K9 g5 ^* T4 A; k
MPU_Initure.IsShareable=sen; //是否允许共用
1 ^" E! F' C1 v+ y" k( u
MPU_Initure.IsCacheable=cen; //是否允许cache- z$ v' ?% q' Q2 p
MPU_Initure.IsBufferable=ben; //是否允许缓冲
' |- F8 s* C7 z* d1 Z( V. B
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure); //配置MPU- B* @- z8 Q" A
HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); //开启MPU1 x. j; T- [' R" O
return 0;) \0 C/ c' d/ F5 J# x
} U& c( h% }6 Q" \' @
- L. E4 D, `3 t
//设置需要保护的存储块. q/ r: a$ d/ X8 u ?
//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% J' C; Y# E. d/ w' C
//比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题.... d$ a( v' Z2 b( t
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- D; B, k8 l, j) f/ z
{- l7 M! B' [* S% S. Z* `! R' p
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3 M9 z. M8 P; H9 b% D
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( w* n! M* q1 r: h
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
/ [; w( a( ^1 Y5 X7 a
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
7 d- R1 ~& p2 m, b- z
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" Y* K/ W7 N( w- M: W
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
- y0 T6 S# L3 Q" Y& Z7 b) g9 p; Q
}

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四、其他

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。

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。