一、Cache

1、介绍
2 l4 @: p7 p9 m+ K9 ^2 I
1 O5 Q# x2 @, a2 P        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。
) C4 l' h, t5 h. E6 ]8 e3 h9 E2 L
        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
( K" z  q# [8 K3 O
        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。
: E' N; U# s" o
       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。

8 q! `& q3 n# d3、H7支持的Cache策略，共4种

" x2 w* o' |2 o& a<回写：如果Cache中有，写数据只写到Cache，不写到RAM。>

$ X) r" P* d  b$ y- I' D* G2 r* F" m<透写：如果Cache中有，写数据也要同时写到Cache和RAM。>

2 g8 D" f: R1 B+ W4 G* y<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。>

9 D' z2 l0 O- O& c8 b) s) C7 Z<no write allocate：写数据时，如果Cache中没有，那么把数据直接写入RAM。>
. r1 l, B2 C4 q4 R  R
<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。>

8 ]  B. y; `7 x1 v- Q8 L' z  t<no read allocate：读数据时，如果Cache中没有，那么直接从RAM中读。>
3 Z8 X0 B" }: w6 l
2 l! B- ~- y2 d. X4、风险
/ A: w2 P. I) p

: d# _, c& T0 n* ~2 @
- X0 j: D$ h! O, j: I  @        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 q; p" e; W! u# H( T2 h* u
( @0 N+ x- U- h. }5、相关函数

) c, y7 \4 `) M4 Y. t6 r  ~% B        SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令Cache，系统上电后优先初始化即可。
( U- N6 \9 `! p6 @/ e: W' E* J
; I& m+ t+ q; E6 C; l+ x        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。
1 C: K( f1 N8 v" p
        SCB_DisableDCache(void) ：用于禁止数据Cache。
3 i  e3 y: t+ _' Q7 N* U
        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。
- w' Y! j; [5 i8 v; k6 ~
; h7 |! m0 D+ ]' ~$ z: 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。

        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。
3 J: w8 [0 t' ?
        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。

: J* z  S7 a+ G1 X7 `        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。

7 m, H8 S* g, s1 R7 q/ q        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。
* z* t' s) D( |2 \8 e2 U. B

( x: D; A8 }% R1 e6 T7 ^
- H! r' G9 X4 _6 E: G1 T: q' g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

' o0 E! i: ~7 q/ f1）、Normal memory
# d- l: T+ p, x0 P- Q" 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。
# i; m$ l# b' c+ C" S. {
6 @  S6 a* o5 v+ z! _2）、Device memory
% M9 e9 k. F" y  C3 D
        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。
$ j: w3 v. s( L: p3 e' i7 l
3）、Strongly ordered memory
# n2 B4 D3 |) H, k% R/ ~6 X+ @
' ]7 p0 {, X6 M5 D$ E2 O        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。

# Y6 z+ X" k% r( o* b8 n3、MPU的使用
$ g2 T0 P; C* y" @) a/ f
        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：
( m" f+ w1 x" O: L8 c% _- f

4 w& j2 D$ S9 p* L
1）、XN：用于控制这个MPU保护区域能否执行程序代码。

3 Y" N+ [7 {  I; h/ T4 h2）、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。
- h3 ^7 }+ Q, ^! F4 @$ Y

0 d6 B2 s. W4 y6 ~1 Q/ P1 F
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。
( _- s$ r+ F5 t0 y& w% [3 Q, Q
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。
( `" M0 ^& m( {& h, t8 {4 a$ e! q$ y0 C$ k
5）、SIZE：配置这个MPU保护区域的大小。

: h- k0 `( ^# z" y' D三、HAL配置例程

& `4 J/ N/ ?+ @

1. //设置某个区域的MPU保护
   . K% ^6 K3 L! w2 i" y. \
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
   9 w- C) Y. ^/ }/ Z. l( f
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）
   : B. I2 p" e; Z# U' R
7. //1,仅支持特权读写访问
   ( [# Y; @4 ^$ P/ Y- P" s, n+ Z5 H
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）
   3 e6 V! n- t  X4 b( H  `9 {
10. //4,无法预测(禁止设置为4!!!)
    " D: W' k7 _- Z5 s% f' ?7 b
11. //5,仅支持特权读访问
    + K  C3 ]5 V: H5 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
    5 }/ ^9 z8 i9 f6 q; V
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)
    6 F% L( w" v  E1 _
19. {
    ' l& `- E& p7 Z5 r3 P2 L6 Y8 E
20.         MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
    ! z& x" K1 [) F' i; h2 W
21.         HAL_MPU_Disable();                                                                        //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
    1 ?3 E( R9 j' B, l0 a
22. 
    8 s/ H7 ~# Z, X4 X& Y7 K, K
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
    ; ]4 N7 H4 {! ~) k
25.         MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr;                            //设置基址
    
26.         MPU_Initure.Size=size;                                                    //设置保护区域大小
    7 g7 G6 `. |3 G3 q+ L" P, q2 _8 q
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)
    % Q$ e) h, i8 g4 u/ O& I: l" b
31.         MPU_Initure.IsShareable=sen;                            //是否允许共用
    ; [) |* A" R& u1 t
32.         MPU_Initure.IsCacheable=cen;                            //是否允许cache
    
33.         MPU_Initure.IsBufferable=ben;                           //是否允许缓冲
    
34.         HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure);                     //配置MPU
    
35.         HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);                                //开启MPU
    ) i% A0 y3 J2 U+ T* @
36.     return 0;
    
37. }
    
38. 
    - ]0 C: r' [7 j: r9 d
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
    5 F: j/ d# C5 H
41. //比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
    * E% s6 ]  D9 B6 T
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
    + F6 d: ]/ o( y4 H. H* ]
43. {
    ' h' o, `7 k% m
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
    6 }' D2 _/ e8 A/ C; ?) K0 p% N
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 _' w  u' r0 G2 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
    
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
    - f. a8 d% t# }7 c, `) W
50. }

复制代码

四、其他
4 F; Y( J6 N) Y) u9 D' T
! o' ^5 O1 V4 r9 x; F        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。

  O* q+ J7 i- m4 I, U# @% B        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。

% _, O* B6 t6 m% t