一、为什么 D-Cache 会让 DMA 数据“错乱”？

STM32H7 的 Cortex-M7 内核带 16KB D-Cache，CPU 访问数据时优先走 Cache，而 DMA 直接访问物理内存（SRAM）。当两者访问同一块缓冲区时，就会出现：

CPU 写数据后未回写：DMA 读到的是旧值（Cache 未 Clean）。
DMA 写入新数据后 CPU 读旧值：Cache 中仍是旧副本（Cache 未 Invalidate）。
Cache 行对齐问题：Invalidate 操作以 32 字节行为单位，若缓冲区未对齐，会误伤相邻变量。

因此，必须遵循 “谁写谁 Clean，谁读谁 Invalidate” 的原则，并保证缓冲区按 Cache 行对齐。

二、Cache 行对齐：32 字节是硬性要求

Cortex-M7 的 D-Cache 行大小为 32 字节。SCB_InvalidateDCache_by_Addr 等函数内部按行操作，若地址未对齐，会：

向上取整到行首，向下取整到行尾，导致相邻数据被意外失效或回写。
若相邻变量是 DMA 正在使用的，可能引发数据竞争甚至 HardFault。

正确做法：

使用 __attribute__((aligned(32))) 或 ALIGN_32BYTES 宏。
缓冲区大小最好是 32 的整数倍，避免末尾部分行被误操作。

#define DMA_BUF_SIZE  128
__attribute__((aligned(32))) uint8_t dma_buf[DMA_BUF_SIZE];

三、Clean 与 Invalidate 的时序

3.1 发送方向（CPU → 外设）

CPU 填充缓冲区。
Clean D-Cache（将最新数据写回 SRAM）。
启动 DMA 发送。
DMA 完成后，若 CPU 要修改缓冲区，需再次 Clean 或直接操作非缓存区。

3.2 接收方向（外设 → CPU）

启动 DMA 接收前，Invalidate D-Cache（丢弃旧副本，避免 CPU 读到脏数据）。
DMA 完成后，再次 Invalidate（确保 CPU 读到 DMA 写入的新数据）。
注意：Invalidate 前必须确保 CPU 没有未回写的脏数据，否则会丢失。

关键点：Invalidate 会丢弃 Cache 中未回写的数据，因此若 CPU 刚写过该区域，必须先 Clean 再 Invalidate。

四、完整示例：ADC + DMA 采集

以下代码基于 STM32H743，使用 ADC1 + DMA1_Stream0，采集 128 个样本。

#include "stm32h7xx.h"

#define ADC_BUF_SIZE  128
__attribute__((aligned(32))) static uint16_t adc_buf[ADC_BUF_SIZE];
volatile uint8_t adc_done = 0;

void ADC_DMA_Init(void)
{
    // 1. 使能时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA1EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;

    // 2. 配置 DMA1_Stream0
    DMA1_Stream0->CR &= ~DMA_SxCR_EN;
    while (DMA1_Stream0->CR & DMA_SxCR_EN);
    DMA1_Stream0->PAR  = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA1_Stream0->M0AR = (uint32_t)adc_buf;
    DMA1_Stream0->NDTR = ADC_BUF_SIZE;
    DMA1_Stream0->CR   = DMA_SxCR_PL_1 | DMA_SxCR_MSIZE_0 |
                         DMA_SxCR_PSIZE_0 | DMA_SxCR_MINC |
                         DMA_SxCR_CIRC | DMA_SxCR_TCIE;
    DMA1_Stream0->FCR  = 0;

    // 3. 配置 ADC1
    ADC1->CFGR = ADC_CFGR_DMAEN | ADC_CFGR_DMACFG;
    ADC1->SQR1 = (ADC_BUF_SIZE - 1) << ADC_SQR1_L_Pos;
    ADC1->SQR3 = 0; // 通道 0
    ADC1->CR   = ADC_CR_ADEN;
    while (!(ADC1->ISR & ADC_ISR_ADRDY));
    ADC1->CR  |= ADC_CR_ADSTART;

    // 4. 启动 DMA
    DMA1_Stream0->CR |= DMA_SxCR_EN;

    // 5. 使能中断
    NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream0_IRQn);
}

void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
{
    if (DMA1->LISR & DMA_LISR_TCIF0) {
        DMA1->LIFCR = DMA_LIFCR_CTCIF0;

        // 关键：DMA 写入后，Invalidate D-Cache
        SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)adc_buf, sizeof(adc_buf));

        adc_done = 1;
    }
}

// 主循环中处理数据
void Process_ADC(void)
{
    if (adc_done) {
        adc_done = 0;
        // 此时 adc_buf 中已是 DMA 写入的最新数据
        uint32_t sum = 0;
        for (int i = 0; i < ADC_BUF_SIZE; i++) {
            sum += adc_buf[i];
        }
        // ...
    }
}

五、MPU 配置：更优雅的解决方案

若不想每次 DMA 都手动 Clean/Invalidate，可用 MPU 将 DMA 缓冲区配置为 Non-Cacheable。

void MPU_Config(void)
{
    HAL_MPU_Disable();

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = 0x30000000; // D2 SRAM
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_64KB;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

将 DMA 缓冲区放在该区域，即可免去手动维护 Cache 的麻烦。

六、注意事项与排查清单

对齐：缓冲区必须 32 字节对齐，大小建议为 32 的倍数。
时序：发送前 Clean，接收前 Invalidate，接收后再次 Invalidate。
原子性：Clean/Invalidate 操作本身可能被中断打断，建议在临界区或 DMA 完成中断中执行。
多缓冲区：若使用双缓冲，每个缓冲区都要独立维护 Cache。
调试：若出现 HardFault，检查是否因 Invalidate 误伤了栈或全局变量。
性能：频繁 Clean/Invalidate 会降低性能，可考虑 MPU 非缓存区或使用 SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr。

遵循以上原则，STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 就能和谐共处，既发挥高性能，又保证数据一致性。

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 数据一致性排查：从 Cache 行对齐到 Clean/Invalidate 时序