一、为什么 Cache 与 DMA 会“打架”？

STM32H7 的 Cortex-M7 内核带有 L1 数据 Cache（D-Cache）和指令 Cache（I-Cache）。CPU 访问内存时，数据可能暂存在 Cache 中，而 DMA 直接读写物理内存（SRAM/SDRAM）。若 CPU 写数据后未同步到内存，DMA 读到的就是旧数据；若 DMA 写入新数据，CPU 读到的却是 Cache 中的旧副本。这就是Cache 一致性问题。

写通（Write-through）：CPU 写操作同时更新 Cache 和内存，但 H7 默认是写回（Write-back），只有 Cache 行被替换时才写回内存。
读分配（Read-allocate）：CPU 读未命中时，先从内存加载到 Cache，后续读直接命中 Cache。

因此，DMA 传输前后必须手动维护 Cache：发送前 Clean（清理），接收后 Invalidate（无效化）。

二、Clean 与 Invalidate 的准确时机

2.1 发送方向（CPU → 外设）

CPU 填充发送缓冲区（数据可能还在 Cache 中）。
Clean D-Cache：将 Cache 行写回内存，确保 DMA 读到最新数据。
启动 DMA 发送。
等待 DMA 完成（此时无需 Invalidate，因为 CPU 不再读该缓冲区）。

// 发送前 Clean
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)tx_buf, sizeof(tx_buf));
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, sizeof(tx_buf));

2.2 接收方向（外设 → CPU）

启动 DMA 接收（此时缓冲区内容未知，建议先 Invalidate，防止 Cache 中有脏数据）。
等待 DMA 完成。
Invalidate D-Cache：丢弃 Cache 中的旧副本，强制 CPU 从内存读取 DMA 写入的新数据。
CPU 处理数据。

// 接收前 Invalidate（可选但推荐）
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)rx_buf, sizeof(rx_buf));
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));
// 等待完成...
// 接收后 Invalidate
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)rx_buf, sizeof(rx_buf));

注意：SCB_InvalidateDCache_by_Addr 的地址和长度必须按 32 字节对齐（Cache 行大小），否则可能误伤相邻数据。

三、MPU 配置：一劳永逸的非缓存区域

频繁手动 Clean/Invalidate 容易遗漏，且影响性能。更优雅的方案是用 MPU（Memory Protection Unit） 将 DMA 缓冲区所在内存区域配置为 Non-cacheable，CPU 和 DMA 直接访问物理内存，无需任何 Cache 维护。

3.1 MPU 配置步骤（以 SRAM1 为例）

使能 MPU：HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT)。
配置 Region：基地址、大小、属性（Normal, Non-cacheable, Shareable）。
使能该 Region。

void MPU_Config(void)
{
    HAL_MPU_Disable();
    MPU_Region_InitTypeDef MPU_Init = {0};

    // 假设 DMA 缓冲区位于 0x30000000 (SRAM1)，大小 64KB
    MPU_Init.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_Init.Number = MPU_REGION_NUMBER0;
    MPU_Init.BaseAddress = 0x30000000;
    MPU_Init.Size = MPU_REGION_SIZE_64KB;
    MPU_Init.SubRegionDisable = 0x00;
    MPU_Init.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
    MPU_Init.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
    MPU_Init.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
    MPU_Init.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;      // 共享，保证一致性
    MPU_Init.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;  // 非缓存
    MPU_Init.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Init);

    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

3.2 链接脚本调整

将 DMA 缓冲区放到非缓存区域，需修改链接脚本（.ld）或使用 __attribute__((section(".dma_buffer"))) 指定段，并在 MPU 中覆盖该段地址。

// 定义非缓存缓冲区
__attribute__((section(".dma_buffer"), aligned(32)))
uint8_t dma_rx_buf[1024];

四、完整实战：UART DMA 收发 + MPU 非缓存

#include "stm32h7xx_hal.h"

#define DMA_BUF_SIZE 256
__attribute__((section(".dma_buffer"), aligned(32)))
uint8_t tx_buf[DMA_BUF_SIZE];
__attribute__((section(".dma_buffer"), aligned(32)))
uint8_t rx_buf[DMA_BUF_SIZE];

void MPU_Config(void) { /* 如上 */ }

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MPU_Config();  // 必须在使能 Cache 前调用
    SCB_EnableICache();
    SCB_EnableDCache();

    MX_GPIO_Init();
    MX_DMA_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    // 填充发送数据
    for (int i = 0; i < DMA_BUF_SIZE; i++) tx_buf[i] = i;

    // 由于 MPU 已配置为非缓存，无需 Clean/Invalidate
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, DMA_BUF_SIZE);
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, DMA_BUF_SIZE);

    while (1) {
        // 处理接收数据
    }
}

五、注意事项与避坑指南

MPU 配置必须在 SCB_EnableDCache() 之前，否则已缓存的数据可能不一致。
Cache 行大小 32 字节：手动维护时地址和长度必须 32 字节对齐，否则用 SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr 并确保不跨越其他数据。
DMA 描述符：若使用链表模式，描述符本身也需放在非缓存区或手动 Clean。
性能权衡：非缓存区域会降低 CPU 访问速度，适合仅 DMA 频繁访问的缓冲区；其他内存仍保持 Cache 开启。
多主设备：若以太网、SDMMC 等多个 DMA 同时访问，建议统一规划非缓存区域。
调试时：可临时关闭 D-Cache 验证问题是否由一致性引起。

掌握 Clean/Invalidate 时机与 MPU 配置，就能在 STM32H7 上安全高效地使用 DMA，充分发挥 480MHz 的性能优势。

STM32H7 的 Cache 与 DMA 一致性维护：Clean/Invalidate 时机与 MPU 配置实战