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。 6 j0 a' J9 p1 s( x$ x& T- x
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。 & q4 J& w! w2 V* W* _1 V
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。> 3 K" Y# s& g2 O! n' z
4、风险
2 j- B) v5 p2 a n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。
' y R" C1 d, R1 M6 y* w5 L8 g
5、相关函数 4 B3 i" W: y$ T' U3 i7 a4 G
上面那个函数用于使能指令Cache,系统上电后优先初始化即可。 上面那个函数用于禁止指令Cache。 - SCB_InvalidateICache(void)
复制代码上面那个函数用于将指令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。 上面那个函数用于使能数据Cache,系统上电后优先初始化即可。 上面那个函数用于禁止数据Cache。 - SCB_InvalidateDCache(void)
复制代码上面那个函数用于将数据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。 上面那个函数用于将数据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)
复制代码上面那个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)
复制代码
# w, ^; Q3 h. }3 x; R上面那个函数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)
复制代码上面那个函数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)
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# s3 M$ X/ B! K) x& \上面那个函数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。 7 d" }: u7 M: u* v0 }
二、MPU1、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:4 C4 I5 D* J& ^

0 e. J# m4 v/ s& T8 ^; {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。
; _; A- G" Q' R$ |& n% V
9 Z! ^& O# q, h3)、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。- s6 }7 O+ }! n- s/ x
2 E; A/ q! `; G( r+ w8 \2 O
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。7 i) d2 ~2 }) E- n. Y! _2 T/ w
5)、SIZE:配置这个MPU保护区域的大小。
A7 ^9 x- h5 M2 a3 S# q( `三、HAL配置例程
- //设置某个区域的MPU保护
" p, f. j( ]) ?' F. B# a - //baseaddr:MPU保护区域的基址(首地址); R: Z# s' f- V; ~/ M; j8 M$ {
- //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
\3 l* I; M% ^& J' | - //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_Number9 E) I* r y' ?& @- V- L
- //ap:访问权限,访问关系如下:可设置的值参考:CORTEX_MPU_Region_Permission_Attributes
* p4 j4 m, t L p# B& X - //0,无访问(特权&用户都不可访问)" M- F" p9 O: i7 ^" }
- //1,仅支持特权读写访问
$ v! V2 H$ M% G6 { - //2,禁止用户写访问(特权可读写访问)0 a+ N% g; f% R- b
- //3,全访问(特权&用户都可访问)& Z# D1 [! z7 {7 ^
- //4,无法预测(禁止设置为4!!!)2 Z' x& `9 i' z$ {
- //5,仅支持特权读访问* N1 Y7 V, S/ l
- //6,只读(特权&用户都不可以写)
- n3 v$ G7 E' S( \ - //详见:STM32F7 Series Cortex-M7 processor programming manual.pdf,4.6节,Table 89.+ z7 ?9 r. X5 y2 R, T
- //sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
* T' T, }$ V4 z& F S+ T( {7 M. _ - //cen:是否允许catch;0,不允许;1,允许
1 _% v" C, i" S+ {6 F9 H7 \, Z+ c5 _. h - //返回值;0,成功.
$ ?& j/ a$ f# B - // 其他,错误. \/ J. x9 A# z" W. D: t
- u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)2 L4 a- j, Q7 \: g
- {. _0 B- y- F. S! V( x7 C l$ ? P
- MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;! M2 c. i5 r$ R8 n8 }
- HAL_MPU_Disable(); //配置MPU之前先关闭MPU,配置完成以后在使能MPU
- A5 j' n* n& Q/ n5 u - / F6 h$ Q! z8 Q# T
- MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE; //使能该保护区域 / E# n, k2 A3 c( A' g" Q5 D1 `
- MPU_Initure.Number=rnum; //设置保护区域
9 k9 s6 `9 k/ n$ l0 ?/ f - MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr; //设置基址
* g6 R3 R/ d7 _+ _: A - MPU_Initure.Size=size; //设置保护区域大小2 N1 ?0 c. h; N
- MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00; //禁止子区域
?9 S1 f, @6 ~ - MPU_Initure.TypeExtField=Tex; //设置类型扩展域5 M0 z( p2 C' o8 B4 l
- MPU_Initure.AccessPermission=(u8)ap; //设置访问权限,
7 g0 n q! o; F2 ^6 n' r - MPU_Initure.DisableExec=MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; //允许指令访问(允许读取指令)
- W9 ~# L5 r5 \ - MPU_Initure.IsShareable=sen; //是否允许共用
1 |& U( u! G; n1 t - MPU_Initure.IsCacheable=cen; //是否允许cache; V+ [/ X$ I- |' n( Q& ^2 U) D* N$ R/ @
- MPU_Initure.IsBufferable=ben; //是否允许缓冲
! Q% V9 a& r3 q" \! A8 e1 \: D - HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure); //配置MPU2 o( Z8 m4 Z8 f) ?; h) t, O# s
- HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); //开启MPU
0 p1 C8 K5 h5 A: v" B6 M, y - return 0;- u X) y7 K/ N ?; w
- }3 a3 e2 L) r2 p7 m) x
-
A) S R2 [/ P( p - //设置需要保护的存储块' j5 M5 v& d: ]) h/ y; o( w
- //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
; ]. f4 Q. H/ x0 _8 w) X* _# _0 m - //比如MCU屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
$ [1 G( L4 \0 X2 v. j - 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
* W' Z7 Q2 C p' z- q - {' u( |& f$ M7 V' @
- 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 a6 d5 `5 @& E: i: W$ E! C" [) K - 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
! G4 J& j1 q5 J/ i$ G% N) ~2 ^& c+ [3 q - 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7 f$ x6 l5 s- z7 P' ^; u
- 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
, n$ E8 q, C6 q - 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
1 H# g+ Y/ Z5 y, f3 f3 n: s# H - 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
, d( c# F( J8 U" W/ c* ? R2 e! ~+ ^6 I4 d - }
# @! K2 e! J$ P8 P
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1 B9 g5 F$ \# z; r" g& J$ O" V2 g; @2 r
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。
4 O3 H1 q2 P, Y& M% z - , y) _0 Y# m( }! M7 p$ `; z
- 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。 U) w* M0 d; }- M8 }
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9 O3 m7 ^+ o% c- c. J. \1 T: @ ' \/ R9 i6 j$ U; a0 r
) e6 v7 e# Z' t0 I" O# `& q$ H2 Y三、H7的内存分配以及总结首先呢,大家在使用H743 的时候,在keil或者iar中,有一个内存的勾选,如下图 + u- _0 e3 _% b2 ^
IROM1表示flash的内存地址,h743是2M,所以,大小自然是2M,起始地址可以在参考手册中找到,如下图,这个比较容易理解,程序就是从这开始运行:! V! K' j6 `% Q7 e# i0 e, m' H

! j" ?9 c ~5 z' p其次,是RAM,743内部有1M,那么这1M怎么分的呢,直接说结论,从地址0x2000 0000开始到(0x3880 0000+64k)结束,加起来是1M,问题来了,为什么我们配置的时候要用0x2400 0000开始的512k呢?不知道大家看参考手册看的怎么样,开头讲了ram 的分配。
4 ~. o3 v, @# J% h1 L1M的RAM,分成了5大类,TCM、AXI 、SRAM1/SRAM2/SRAM3/SRAM4、BACK,他们所在的区域不同,TCM包含ITCM和DTCM,地址0x2000 0000的128K,位于D1域,ITCM主要用来存取程序代码,也就是执行命令,DTCM用于数据存取。先把所有的内存分配做个总结再说。
* q5 a$ v6 D& q- b( H{
% B: K8 Q( a6 }* G: a g1、TCM分为ITCM(运行代码)和DTCM(数据存取)
L" \0 X# f7 x3 S/ i& m, }7 h2、速度400MHZ
- r. H' x; [& ]5 }3、DTCM地址:0x2000 0000,大小128KB
6 s: f S S0 I+ e3 UITCM地址:0x0000 0000,大小64KB
% f# b. j4 Z) K$ ?; A}$ ?: d- s4 q6 o# A2 B! ^: o! x
AXI SRAM 区
4 A" f2 ^0 B. }+ g) s8 \- p{
H+ D* W: W& ^" j1、位于D1域,挂在A**线
* A- { S* H& ^# s0 H+ W- g @+ ^2、速度200MHZ
( |* p! _: [1 X3 i3、地址:0x2400 0000,大小512KB } e: S1 |# C' A% {. N! e
SRAM1,SRAM2,SRAM3 区
) b( V+ F; u! r5 U4 H{; a2 E3 z5 l* u+ H- `, N/ r- N2 E
1、位于D2域,挂在AHB总线$ n: _5 q2 j5 \3 c5 H
2、速度200MHZ
D4 [ S. i1 @$ l3、SRAM1地址:0x3000 0000,大小128KB& @/ r! A+ @5 \# v
SRAM2地址:0x3002 0000,大小128KB
+ p( l( k6 b# |+ USRAM3地址:0x3004 0000,大小32KB7 W0 N+ y) T! T# S! O) I$ b
}4 ^; P: s/ ?* b3 o% \; \$ v
SRAM4区
5 T" N" _1 ^5 ^# W6 D2 r8 W{
]2 g. J0 S* b6 q9 L1、位于D3域,挂在AHB总线+ \& B' g0 f2 h; `4 z! o3 x
2、速度200MHZ' c: E3 g( W( s) b6 a: K
3、地址:0x3800 0000,大小64KB }
1 ~, U5 l3 x9 k! DBackup SRAM区
1 u$ B4 K" F3 N% ^, d0 Z3 T{- T3 E* H$ J5 ~4 O0 G
1、位于D3域,挂在AHB总线
% x& U- K$ {" U2、速度200MHZ
9 X( l5 u6 z* b4 e3、地址:0x3880 0000,大小4KB } ok,还是原先的问题,为什么要用0x2400 0000开始做程序的主RAM呢,原因在于,如果用户使用了SDMMC1,也就是比如SD卡的dma功能,或者其他用到了SDMMC1的话,该主设备只接AXI RAM,不能使用其他RAM读取,可以不用,声明变量的时候使用at section指向AXI地址也是可以的。 其他几个RAM,需要跟BDMA用的时候进行区分,有些是不支持BDMA的。剩下的就没啥了,其他内容可以看下参考手册第二章。 如果大家功能少的话,可以使用DTCM来当主RAM,毕竟速度最快,但是用到了相关DMA的话,还是换成AXI吧。野火的代码里面默认是使用这个。
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