一、Cache
  J  y: t4 O' |; R" U  U/ \2 Q
1、介绍
. j! d) N% c& f( B
        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。

8 }3 `3 Y* P8 X( F7 K2、操作，分为读操作和写操作
8 g% i3 S; Z1 x" T
        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。
  K- _1 |5 F  ~0 ^0 N" n$ B
       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
( b' P- m& T, t) W6 J0 B7 Q( C( I1 }
* H% h' e5 ^7 ^7 u/ @/ ~

5 c: Z+ j% `- B5 r7 |) i<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>
0 @) r4 b& n8 x. v5 a! l# H8 G3 X
<透写：如果Cache中有，写数据也要同时写到Cache和RAM。>
6 C/ {) I4 z( X6 G
3 G* E3 H$ R  @8 t  M0 X# E) d<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。>
; j6 ~/ ]8 A4 P  V0 n
9 S& @9 a: N6 y, [, b5 B4 ^; T; ]: c<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>

& ^0 B4 e2 M$ W<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。>
! O: M7 L' z) F+ W* A1 X- }* u0 P
7 c0 m4 z0 j0 t: E<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>

- P; o) \- }7 z+ s4、风险

0 j/ r* x. l. ?$ o4 r  p. @! k

        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。
& \8 u! ~7 Q9 [% u6 w) G
2 Q% D: ?( H7 S6 M5、相关函数
2 h& H( c7 H2 F; D
2 Y( z, `8 i( S* _8 |4 E        SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。
  n5 c0 B: {9 |2 E8 a
1 U1 V7 r& j3 i% f0 v        SCB_DisableICache(void) ：用于禁止指令Cache。
4 x- h# V1 U& ~9 ]) d& F# P/ f
$ M7 N( J) p2 k* ~. M% u        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。
# _( ~$ T5 D) R; R' ^& W
        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。
6 F5 X* r8 T' s! ^' Z
        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
3 }" A: p* [2 n  A! {. A
' s* d! g0 E8 v" K        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。

# b+ [" O' S- y8 p2、MPU可以配置的三种内存类型
8 e. p5 f: j% D, _! {
1）、Normal memory
6 m  {/ C! g% h& R" \# N4 R1 b
        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。
  h' Q9 L: A( T" m
2）、Device memory
. S" c9 c$ t! g$ ?/ u6 V
3 R. i) s. E0 U% ?$ F4 E* J        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。
- ?, D9 n, K9 [: a* m( y
6 [0 F" R5 H4 o3）、Strongly ordered memory
0 C2 V9 j# g4 a8 f  E! p. @
# j, j" L' ^3 C/ _7 i        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。
; e3 O3 e/ u8 c. u6 H" T
3、MPU的使用
$ k" s1 _8 \# T7 n
7 U( a/ h, a  z        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。
" q( J7 H6 ]' d5 }
        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：
8 t, y5 s: o  ~; W5 [
( U& E) M# G, e; q$ L

0 h8 r2 p6 I, ?/ N" K5 f5 f- O1）、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。

( O7 r3 A' ?, ?' t4 @

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。

$ H. V& q2 E; v' 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。
& G& ^4 Y0 G3 T; b
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。
0 a0 n6 Z4 \3 ^( r# s
5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。
1 \$ w3 K5 b, U8 c0 O. r3 v) N6 }. J
三、HAL配置例程

1. //设置某个区域的MPU保护
   $ N4 H8 j( {3 [; R% u# O
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
   * c) v. j# ^. `
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
   2 G" s9 h/ M5 n, b
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）
   3 M! M" B3 L3 [$ \) S+ n  `, o% O
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）
   9 `" c- g* {) H3 [' c! n! B
9. //3,全访问（特权&用户都可访问）
   7 I& [: t9 p) J: a) l4 q4 @0 U
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    - f4 l2 N& l7 l
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
    
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.
    
18. u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
    
19. {
    7 A8 r+ a. ]+ B8 d4 K+ G2 m! ~
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
    
22. 
    - A  Q3 M7 i8 a2 u
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
    7 o0 H+ V  I: H( y
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    ) W$ H- B/ T" p- R# T
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    & c8 o; e, o% E8 N5 z' I  s
27.         MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00;                      //禁止子区域
    3 F, M3 G! S# S9 r( D
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)
    
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    ; P8 |' |0 {: W/ G- j) K
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    ; s+ f4 r4 `6 a( Y
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    - {+ l3 |6 A( r( }+ z6 u5 U
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    # X) e; V1 Y# D2 e+ [  v
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    8 Z" X/ V3 r( Y) T* E8 ]
36.     return 0;
    & _. V' Q- N5 c- \" m- n4 }* ]
37. }
    ; G: s2 w" r, O" s% m9 S
38. 
      I0 d! v) _4 b
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...
    ' b2 ?+ @1 R5 K- [- E
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. {
    4 n* o& ]( j" J# `, G
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
    , |& p0 q) {0 ]
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
    6 H2 F  w. o' d# {9 B9 T
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
    3 ]5 [9 h6 G, k: }  m
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

四、其他
& q# l# t2 _7 @0 [5 h' G5 `
2 N( V7 P+ W1 u5 n        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。
7 H9 g, Y/ R* \. v. I, R
        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。
! K  r# S8 _" |+ J, w$ P) r
5 W/ P- c. E4 v

- Q" V, \8 k2 H0 P2 J

: B3 _& i$ s1 }' B