一、Cache
1 U" X+ d+ P2 i4 K- {2 O
- u& }, C' m/ |! w( z# j& O, F+ @1、介绍
8 ~$ W, |. n* c5 [8 \4 s
: Y6 M* z* s1 ]        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。
1 V$ ]. P* r; O& M# p, [# O
2、操作，分为读操作和写操作
4 g& I9 ]8 D% M& l5 b# T
9 y! w4 H9 A) H. e0 R/ f/ e" U# }        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。
' c! S+ I( H3 ^" [/ ?, X
       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。
/ P& Z8 a" z0 R. ?
1 g* S- ~8 {+ k, u2 m* [/ x3、H7支持的Cache策略，共4种
: G8 W* {3 [( a, G
! W2 k5 {( s' A2 a. H

& g7 t& ?  T# [6 M: z- e- S1 {9 K
<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。>
$ S/ k2 }0 @& ?, G  ~! ~5 q
<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。>
. r' r7 x! R2 q, Y2 i& P
" Y  d/ R( m/ c3 n: B<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>
( c, p$ }1 b0 w' a- T
3 H) O8 S% J/ C9 o: N, D<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。>

+ X  m6 R5 l: D+ |& [! @<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>
. y8 p. i: o7 p, v
4、风险

1 F( g& l* N/ e+ e+ z
0 N& Q# M) f( P  q. k: |- W        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。
) u, y1 H$ Z! |; P5 F% v0 P& \
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。

% p9 }0 `/ P6 n, n        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。
' q  e, x  E. v: d
7 X' }* T$ ~4 O( M3 a        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。
; C! {4 U4 x3 J& w
; |/ n0 \1 `! A0 _8 |. ]        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。
- ]7 Q  `  R  K) E
        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。
6 Y% m5 k3 c1 d5 b& Z- j
        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。
4 Q- y4 S! 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。
6 y+ K: u" j. u0 s) v& ?
/ G+ n2 O/ Q5 g' j8 w/ K        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。
' N2 H% u- Z% [: y/ s0 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。
2 s; W7 |$ t) [: G6 a1 u) p  x

3 F3 m# G' J5 O" e) t+ B
; T3 X+ o) w8 B. q  q二、MPU
: A7 s4 n: ~" N: _8 E6 A
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 P& B+ ~: T, m" }9 W7 H# V
: w) N+ B% E/ i# j  {' j# x) `5 d2、MPU可以配置的三种内存类型
6 r2 l7 ^" ~$ h* @) L/ i! y6 d
1）、Normal memory
8 |* n3 |0 N. }& W
! R" g1 j+ K6 m7 X8 H        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。
% S3 G% i7 q' X; k
2）、Device memory
- C! F4 F& {/ Q+ H/ R2 m
        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。

! g! Y- v- Z& C4 ^. ]7 Y4 @5 e3）、Strongly ordered memory
5 K$ s; O5 X# M
        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。
5 y/ j. j* V2 E2 U" O
- k: x% k6 s9 p2 v/ q3、MPU的使用
* K( Y6 Q8 p0 Y* L8 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。
' [7 K! F  p' {5 p1 W
& X& B) W' I& ]( m. f  \        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：

/ J, K$ C7 v4 k/ M6 H0 i' j
3 c8 T+ F3 s! Q# P1）、XN：用于控制这个MPU保护区域能否执行程序代码。

' h0 s( r+ B4 W2）、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。

- q( B9 W7 u' r! V2 B1 j
: l7 q1 d- h- o7 d% f5 i, j' l3）、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。
: Q+ C, B2 A8 m1 A' C: z8 c' h* ?; q
# _8 ?; I; k$ o1 z

8 S$ @. M  O& dS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。
& C& U$ S! P" X4 U5 O; l! W# b- j
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。
7 T2 S8 P/ a# d8 Y! f0 G
5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

三、HAL配置例程

5 M/ v5 x! E' x. y' u) Q. a

1. //设置某个区域的MPU保护
   
2. //baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址)
   & t$ X! A- A4 H* z' I. `
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
   6 {8 C+ K8 K1 I# d$ c6 m
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 C& R6 p6 G+ l9 J
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）
   $ O8 ^2 k: W7 u  y
7. //1,仅支持特权读写访问
   6 m0 |" e& C! }$ A3 t& R$ [( X& B
8. //2,禁止用户写访问（特权可读写访问）
   , N' u! K2 w/ @" W
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!!!)
    ; l$ L' @  b& [- V7 d
11. //5,仅支持特权读访问
    9 [5 y: U3 G# X' r  h
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.
    2 L# Q/ y7 Z  ~
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.
    & R1 k. T5 h5 `0 Q* x/ T
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)
    
19. {
    
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    : f, I( x% D* C& H
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    
22. 
    " }  L, t: `1 U2 u# t, n# f
23.         MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE;                                //使能该保护区域
    2 g2 N8 s% e/ K$ p! @
24.         MPU_Initure.Number=rnum;                                            //设置保护区域
    7 z4 \4 A6 H3 n+ `* {) Q6 d
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    3 s( @) d9 |2 m) f3 _, a1 f4 Y
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)
    . x; H$ [: U0 K
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    ) K; z4 i2 T! v
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    ' V' [, X% M6 X5 Z' o6 I( y8 A! o" V$ `" o
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    
36.     return 0;
    
37. }
    
38. 
    
39. //设置需要保护的存储块
    
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
    & j! l# _( ~( D3 `" X" J) v3 j& I. E
41. //比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
    6 U, J2 X0 N/ H0 C
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
      A2 C& E. L: f! K! n4 l
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
    8 C" t1 v! y& M4 @. q; M
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
    : `/ q# N' F- s4 L. K5 d7 Y
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
    7 M$ e- S1 F# T4 x1 d- h
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
    * y+ y& C7 t: Y! v
50. }

复制代码

! R5 J$ v% w" B' w四、其他
3 u0 h) k  ~& H: R" |8 w; t* J
        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。
9 a7 T) H4 Q+ R$ ]2 p
0 Z; N+ s! ?+ C. r2 M        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。

- P: a; i! U  C+ ]( G
( k" j5 F. }8 `) Q3 e- ?