一、为什么 DMA 和 D-Cache 会打架？

STM32H7 的 Cortex-M7 内核带有一级 D-Cache（通常 16KB）。当 CPU 访问内存时，数据会被缓存到 D-Cache 中，后续读写直接命中缓存，不再访问物理内存。而 DMA 是独立于 CPU 的总线主设备，它直接读写 SRAM 或外设 FIFO，完全绕过 D-Cache。

这就导致两个经典问题：

CPU 写，DMA 读：CPU 写数据到缓存，但尚未回写到物理内存，DMA 读到的还是旧数据。
DMA 写，CPU 读：DMA 把新数据写入物理内存，但 CPU 读的是缓存里的旧数据。

解决思路只有两条：要么让 DMA 缓冲区不经过 Cache（MPU 配置为 Write-Through/Non-Cacheable），要么在 DMA 传输前后手动维护 Cache 一致性（clean/invalidate）。

二、MPU 配置：给 DMA 缓冲区划一块“安全区”

最省心的做法是用 MPU 将 DMA 缓冲区所在的内存区域配置为 Non-Cacheable 或 Write-Through。这样 CPU 和 DMA 看到的内存始终一致，无需手动 clean/invalidate。

2.1 配置步骤

使能 MPU：SCB_EnableMPU() 前先 SCB_DisableMPU()。
选择一个空闲的 MPU Region（0~15）。
设置基地址、大小、属性。
使能该 Region 和 MPU。

2.2 完整代码示例

#include "stm32h7xx.h"

// 假设 DMA 缓冲区放在 D2 SRAM 的 0x30000000 起始，大小 32KB
#define DMA_BUF_ADDR   0x30000000
#define DMA_BUF_SIZE   0x8000

void MPU_Config_DMA_Buffer(void)
{
    HAL_MPU_Disable();

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

    // 选择 Region 0
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.Number           = MPU_REGION_NUMBER0;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = DMA_BUF_ADDR;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_32KB;
    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_InitStruct.TypeExtField     = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_InitStruct.DisableExec      = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
    MPU_InitStruct.IsShareable      = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
    MPU_InitStruct.IsCacheable      = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; // 关键：非缓存
    MPU_InitStruct.IsBufferable     = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

注意：BaseAddress 必须按 Region 大小对齐。32KB 区域基地址必须是 32KB 的整数倍。

三、手动维护一致性：clean 与 invalidate

如果 DMA 缓冲区必须放在可缓存区域（例如为了 CPU 高速访问），则需在传输前后调用 CMSIS 提供的函数。

3.1 两个核心函数

SCB_CleanDCache_by_Addr(addr, size)：将 Cache 中已修改的数据写回物理内存。用于 CPU 写 → DMA 读 之前。
SCB_InvalidateDCache_by_Addr(addr, size)：将 Cache 中对应行作废，强制下次读取从物理内存加载。用于 DMA 写 → CPU 读 之后。

3.2 正确使用顺序

// 场景：CPU 填充缓冲区，然后启动 DMA 发送
fill_buffer(tx_buf, len);
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)tx_buf, len); // 写回
HAL_DMA_Start(&hdma, (uint32_t)tx_buf, (uint32_t)&UART->TDR, len);

// 场景：DMA 接收完成，CPU 读取数据
// 在 DMA 完成中断中：
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)rx_buf, len); // 作废
process_data(rx_buf, len);

3.3 地址与长度对齐陷阱

Cache 操作以 32 字节 Cache Line 为单位。如果 addr 未对齐或 size 不是 32 的倍数，函数内部会向上取整，可能误伤相邻数据。

缓冲区首地址建议 32 字节对齐：__attribute__((aligned(32)))。
长度建议补齐到 32 的倍数。

__attribute__((aligned(32))) uint8_t rx_buf[1024];

四、实战避坑清单

坑1：只 clean 不 invalidate。DMA 写回后 CPU 读旧值，必须 invalidate。
坑2：invalidate 在 DMA 传输完成前调用。DMA 还在写，invalidate 后 CPU 可能读到半新半旧数据。应在 DMA 完成中断中调用。
坑3：缓冲区跨 Cache Line 且与其他变量共享。invalidate 会丢弃相邻变量修改，务必对齐并隔离。
坑4：忘记配置 MPU 背景区域。默认背景区域是 Cacheable，若 DMA 缓冲区落在其中且未单独配置，问题依旧。
坑5：使用 SCB_InvalidateDCache() 全局作废。这会清掉所有缓存，性能骤降，且可能影响其他任务，应使用 by_Addr 版本。
坑6：DMA 描述符本身在 Cache 中。若使用链表模式，描述符也要 clean/invalidate 或放在非缓存区。

五、总结

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 一致性没有银弹：简单场景用 MPU 划非缓存区，高性能场景用 clean/invalidate 精准维护。牢记“CPU 写后 clean，DMA 写后 invalidate”，并注意 32 字节对齐，就能避开绝大多数数据错乱问题。建议在项目初期就规划好 DMA 缓冲区的内存布局，后期调试会轻松很多。

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 一致性：从 MPU 配置到 clean/invalidate 的实战避坑