一、为什么 D-Cache 会成为 DMA 的“猪队友”？

STM32H7 的 Cortex-M7 内核带有一级 D-Cache（数据缓存），默认写回（Write-Back）策略。CPU 访问内存时，数据可能只停留在 Cache 中，并未写入实际 RAM。而 DMA 控制器直接访问物理 RAM，它看不到 Cache 里的新数据。

CPU 写，DMA 读：CPU 写入的数据还在 Cache 里，DMA 从 RAM 读到旧数据。
DMA 写，CPU 读：DMA 把新数据写入 RAM，但 CPU 读到的却是 Cache 中的旧数据。

这就是典型的数据一致性问题。解决思路有两种：

将 DMA 缓冲区所在内存区域配置为非缓存（Non-Cacheable），通过 MPU 实现。
在 DMA 传输前后手动执行 Clean（写回）和 Invalidate（无效化）操作。

二、MPU 配置：一劳永逸的非缓存方案

使用 MPU 将特定内存区域（如 SRAM 中的 DMA 缓冲区）设为 Non-Cacheable，可避免手动维护缓存。

2.1 配置步骤

使能 MPU：SCB_EnableMPU() 前需先 SCB_EnableICache() 和 SCB_EnableDCache()。
定义 MPU 区域：设置基地址、大小、属性。
关键属性：TEX=0, C=0, B=0, S=1 表示 Non-Cacheable, Shareable。

2.2 代码示例

#include "stm32h7xx.h"

#define DMA_BUFFER_ADDR  0x30000000  // AXI SRAM 起始地址
#define DMA_BUFFER_SIZE  0x10000     // 64KB

void MPU_Config(void)
{
    HAL_MPU_Disable();

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

    // 配置 AXI SRAM 前 64KB 为非缓存
    MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress = DMA_BUFFER_ADDR;
    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_ENABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

注意：MPU 区域大小必须是 2 的幂，且基地址对齐。若缓冲区跨区域，需拆分配置。

三、手动 Clean/Invalidate：灵活但易错

若不想牺牲 Cache 性能，可在 DMA 传输前后手动操作。

3.1 核心 API

SCB_CleanDCache_by_Addr(uint32_t *addr, int32_t dsize)：将 Cache 数据写回 RAM。
SCB_InvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr, int32_t dsize)：丢弃 Cache 数据，强制从 RAM 重新加载。

3.2 正确使用顺序

CPU 写 → DMA 读（发送）：

CPU 填充缓冲区。
SCB_CleanDCache_by_Addr() 写回。
启动 DMA 发送。

DMA 写 → CPU 读（接收）：

启动 DMA 接收。
DMA 完成中断中调用 SCB_InvalidateDCache_by_Addr()。
CPU 读取缓冲区。

3.3 代码示例

#define BUF_SIZE  128
__attribute__((aligned(32))) uint8_t dma_tx_buf[BUF_SIZE];
__attribute__((aligned(32))) uint8_t dma_rx_buf[BUF_SIZE];

void DMA_Send_Data(void)
{
    // 填充数据
    for (int i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {
        dma_tx_buf[i] = i;
    }
    // Clean：确保数据写入 RAM
    SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)dma_tx_buf, BUF_SIZE);
    // 启动 DMA 发送
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, dma_tx_buf, BUF_SIZE);
}

void DMA_Receive_Data(void)
{
    // 启动 DMA 接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_rx_buf, BUF_SIZE);
}

// DMA 接收完成回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    // Invalidate：丢弃 Cache 旧数据，从 RAM 重新加载
    SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)dma_rx_buf, BUF_SIZE);
    // 此时读取才是 DMA 写入的新数据
    for (int i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {
        printf("%02X ", dma_rx_buf[i]);
    }
}

四、踩坑记录与注意事项

4.1 地址对齐与大小

SCB_CleanDCache_by_Addr 的地址必须 32 字节对齐，大小建议为 32 的倍数。否则可能遗漏部分 Cache 行。
使用 __attribute__((aligned(32))) 修饰缓冲区。

4.2 Invalidate 的陷阱

Invalidate 会丢弃未写回的数据。若 CPU 刚修改了缓冲区，紧接着 Invalidate，修改将丢失。务必先 Clean 再 Invalidate。
对于 DMA 接收，Invalidate 前确保 CPU 没有未写回的数据。

4.3 多缓冲区与 Cache 行伪共享

若两个缓冲区共享同一个 Cache 行（32 字节），Invalidate 一个可能影响另一个。建议缓冲区按 32 字节对齐且大小对齐。

4.4 MPU 配置的优先级

MPU 区域可重叠，高编号区域优先级更高。确保 DMA 缓冲区区域不被其他缓存区域覆盖。

4.5 性能权衡

非缓存区域会降低 CPU 访问速度。若缓冲区访问频繁，建议仅对 DMA 缓冲区使用非缓存，其他内存保持缓存。

五、总结

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 数据一致性是嵌入式开发中的经典难题。推荐优先使用 MPU 将 DMA 缓冲区设为 Non-Cacheable，简单可靠；若必须使用 Cache，则严格遵循 Clean/Invalidate 顺序，并注意对齐与伪共享问题。掌握这些技巧，你的 H7 项目将既高效又稳定。

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 数据一致性实战：MPU 配置与 Clean/Invalidate 的踩坑记录