一、Cache

1、介绍

4 v# X0 }: p, c# O        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。
6 j# `3 \- y' f
/ Z5 g8 V  C8 x3 r( b0 E        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。
5 p# k, h$ V: P; `4 ~3 ^: b
2、操作，分为读操作和写操作
9 a1 v% {% f% Y; P9 d9 Z/ D- _
+ j1 x6 V% M, C! b; @5 D, U, @6 I        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。
+ Y; T& i1 Y& {. _
/ q+ m+ F& S1 `8 Z+ n" E7 t+ w       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。
& d! b2 K7 K- e+ `- A" O
) Z# U8 e1 \% F1 J  K; z  B3、H7支持的Cache策略，共4种

8 q4 v" m4 |- m; {' x+ m
<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>

- @% [1 F9 J8 a( g* U: k<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。>

0 n# Z3 i" r& k2 R; }& Q- N; v<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>
* @- |: W- N$ }  T' V( N8 ]- ]
) W/ q' z& N4 j2 b<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。>
) k- O8 W. c2 G0 M
, {' _+ K; s* G1 G<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>

1 E4 i+ V& r6 Y4 e& M4、风险

' H9 h! f3 A# s) y
        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。
& [/ o  B, f) ]7 _
  b" \. c* |/ j% ]  m+ ?, ~, {! b5、相关函数
( _2 @7 v& O) a2 I
2 N$ B# f' j; K4 t; x        SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。

, E5 ]$ L$ p6 o1 I        SCB_DisableICache(void) ：用于禁止指令Cache。
$ V% Z* \! T# M4 S/ L
: g+ Q; V6 `2 V. c2 P( p        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; `% ?& [: }3 ?. ~
        SCB_EnableDCache(void) ：用于使能数据Cache，系统上电后优先初始化即可。

5 c! \. a0 j5 k: C- ?, l! O        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。
7 {! |( ]" Q- H' O$ S0 w
- u, p/ x5 e/ M" w& U' q        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。

  s1 V% c/ w  @1 e" h, x        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。
; n: }) m8 Q  n4 E/ Q# E* f
7 ~0 o7 }" ~# l+ |; M/ u8 m8 l        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。
# w2 _% m: w9 t3 d6 `; w% q


5 t7 V7 M; k$ t! Z二、MPU
, R. u" N( Y; l2 C
7 D" L) l9 c* Z& U* C: ]/ _3 I1、作用
3 z. n! ~/ V% ~  U' c' h4 l
) n. S( g( c) r$ F        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。
. s% o7 o  u6 @7 F
( ]" y- h  ]9 s' k% u+ F2、MPU可以配置的三种内存类型

1）、Normal memory

7 `# J4 ]* ]( n& f1 W& E        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。
3 r: F/ l+ c% J9 {& z, o
2）、Device memory
- z6 r4 v/ T3 b! k$ j) }/ V: Y
        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。
/ H1 L% K/ \0 |' ?8 s& e
. p7 u; z! M5 L( D2 z% W3）、Strongly ordered memory

- W4 D. _7 {- D0 t! g, ?! 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。
+ ~% w( C% O5 m+ s. q* z6 D
5 v% |# R4 v8 s$ N3、MPU的使用
0 X, E4 n. M' K' U6 f, j  m
        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 H% w1 g& Y' y- s2 W) J& l
        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：

) Q9 V% u. z1 V) g7 g

' b7 M3 \, ]& b3 P0 e
5 I; O& W( r* B1）、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。
8 u& _& d) i0 i! f
2 [' V- J! E- a; B

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。
% m2 A5 S* _  l  J3 \% p5 z7 E

6 B0 w) o* `( i$ W0 A3 }. S' |5 W, PS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。
# q9 y+ x0 h8 G) K) p; m: n# d
4 _# O# D/ g8 s4）、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。
! ^6 V; g' G5 _/ r8 ~6 x' w
6 Z. t, {$ L3 \( m+ h+ R: R5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

9 p* Q4 \1 H" ^% ^$ _3 |三、HAL配置例程
5 y' I9 K9 J; a8 j7 J: @7 b
* A: j( j4 K8 S! y

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
   
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
   . G7 c/ }5 e6 U* M
6. //0,无访问（特权&用户都不可访问）
   5 B8 o8 f0 g& X3 ^) S) c& f# K  X
7. //1,仅支持特权读写访问
   6 Q$ |0 k# a( V: d* X
8. //2,禁止用户写访问（特权可读写访问）
   3 q- T9 w( h; K8 Z+ t( `0 q
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
     V4 ^  t  v  ^1 R0 ~
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    5 y  o( z) n$ l1 c+ Y' y
11. //5,仅支持特权读访问
    
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
    ) u7 O/ \6 E, n; \' L8 F2 Q
15. //cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许
    
16. //返回值;0,成功.
    9 r7 \: g: ^0 Y2 t# @9 }
17. //    其他,错误.
    * r- p/ F9 R9 I5 K% Z
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    
19. {
    - R  Y" A, l. K
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    ' U2 W- ~. W) q! ?5 W
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    
22. 
    
23.         MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE;                                //使能该保护区域
    0 A8 F' W  X$ N+ y* ~$ E  j
24.         MPU_Initure.Number=rnum;                                            //设置保护区域
    
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    5 a- g3 s; l) _* M8 o; L
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    / _1 L% c$ p6 f' Z/ r/ s' F- \
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
    ' X  d! t9 }2 r, w1 v2 G& _8 x
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)
    + j0 L3 m) g7 i2 ^4 ]1 u
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    - C: S+ f( W. I0 A1 l" e& ?$ C3 s, _" u  J
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    + r) Q+ U" ]3 t- Z) D* {, }0 G
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    
36.     return 0;
    
37. }
    
38. 
    3 D. W. ?: `6 V6 e1 s& W  S
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
    
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
    ' I1 \. b/ |' y2 D( i8 ?: P
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
      {1 q; k5 b: ?1 G
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
    . Q! N1 P% C3 f1 k1 F: b' |5 c& K7 @  J7 g
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
    ! F6 X0 Y3 Q. z: Y  U& u, B7 e# q7 C' s, h
50. }

复制代码

& n5 k* Q6 @! }! x- @7 k9 F四、其他

3 g7 W3 q: U& t        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/ H5 ?( \; W  ]
6 r2 R9 B( t+ [/ p3 N% m3 }2 {        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。

, Z, a, U/ K. b* A# Y" `8 {