一、现象：DMA 数据错乱，关 Cache 就好？

在 STM32H7 上开发以太网、USB 或 SPI 高速传输时，你是否遇到过：

  • DMA 发送的数据，接收端看到的是旧数据或随机值。
  • DMA 接收的数据，CPU 读出来部分正确、部分错乱。
  • 一旦关闭 D-Cache，一切正常；打开就出错。

这不是玄学，而是 Cache 与 DMA 的一致性（Coherency）问题。Cortex-M7 的 D-Cache 和 DMA 控制器各自独立访问内存，若没有正确配置 MPU，CPU 可能读到 Cache 中的旧数据，而 DMA 却把新数据写到了物理内存。

二、原理：为什么 Cache 会“欺骗”你？

2.1 Cache 的工作方式

  • CPU 访问内存时，先查 D-Cache。若命中，直接返回 Cache 中的数据，不访问物理内存。
  • 写操作默认是 写回（Write-Back）：CPU 只写 Cache，标记为脏，稍后才写回物理内存。
  • DMA 直接访问物理内存，不经过 Cache。

2.2 典型错误场景

场景 A：DMA 发送

  1. CPU 填充缓冲区数据（此时数据在 Cache 中，物理内存还是旧值）。
  2. 启动 DMA 发送，DMA 从物理内存读数据，发送的是旧值。

场景 B：DMA 接收

  1. DMA 将新数据写入物理内存。
  2. CPU 读缓冲区，若 Cache 中已有该地址的旧数据，则读到旧值。

2.3 解决思路

  • 软件维护：手动调用 SCB_CleanDCache_by_Addr() 和 SCB_InvalidateDCache_by_Addr()。
  • 硬件配置：通过 MPU 将 DMA 缓冲区所在内存区域配置为 Non-Cacheable 或 Write-Through，一劳永逸。

三、MPU 配置步骤（以 STM32H7 为例）

3.1 确定内存区域

假设 DMA 缓冲区放在 0x30000000（D2 SRAM），大小 32KB。

3.2 配置 MPU 区域

  • 选择空闲的 MPU Region（如 Region 0）。
  • 设置基地址、大小、属性。
  • 属性关键位：
    • TEX=0, C=0, B=0：Non-Cacheable。
    • TEX=0, C=1, B=0：Write-Through, No Write Allocate。
    • TEX=0, C=1, B=1：Write-Back, Write Allocate（默认，易出错）。
  • 使能该 Region。

3.3 完整代码示例

#include "stm32h7xx.h"

#define DMA_BUFFER_ADDR  0x30000000UL
#define DMA_BUFFER_SIZE  0x8000UL  // 32KB

void MPU_Config(void)
{
    HAL_MPU_Disable();

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

    // 配置 D2 SRAM 为 Non-Cacheable
    MPU_InitStruct.Enable           = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress      = DMA_BUFFER_ADDR;
    MPU_InitStruct.Size             = MPU_REGION_SIZE_32KB;
    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_NOT_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);

    // 使能 MPU
    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

注意：HAL_MPU_ConfigRegion 内部会处理 TEX/C/B 位，直接使用 IsCacheable 和 IsBufferable 即可。

3.4 启动 DMA 前的额外操作

即使配置了 Non-Cacheable，若之前该区域已被 Cache 缓存，仍需先失效（Invalidate）一次：

SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)DMA_BUFFER_ADDR, DMA_BUFFER_SIZE);

四、注意事项与避坑指南

  • MPU 区域对齐：基地址必须按区域大小对齐（32KB 区域基地址低 15 位为 0）。
  • 区域重叠：高编号 Region 优先级更高，避免冲突。
  • DMA 描述符：若使用链表式 DMA，描述符本身也需放在 Non-Cacheable 区域。
  • 性能权衡：Non-Cacheable 会降低 CPU 访问速度，仅对 DMA 缓冲区使用。
  • 多核/多主：STM32H7 的 MDMA、BDMA 同样受 Cache 影响，需统一处理。
  • 调试技巧：用 SCB_InvalidateDCache() 全失效可快速验证问题。

五、总结

STM32H7 的 Cache 是性能利器，但 DMA 与 Cache 的共存必须通过 MPU 或手动维护来保证一致性。推荐将 DMA 缓冲区配置为 Non-Cacheable，并在初始化时失效一次 Cache。掌握这些，你的 DMA 传输将不再“随机”出错。