一、STM32H7 系列 MCU 的 MPU 介绍**
参考资料：PM0253 STM32F7 Series and STM32H7 Series Cortex®-M7 processor programming manualV5.0
1.1 MPU 的作用
防止不受信任的应用程序访问受保护的内存区域； 防止用户应用程序破坏操作系统使用的数据；通过阻止任务访问其它任务的数据区；允许将内存区域定义为只读，以便保护重要数据；检测意外的内存访问。 简单的说就是内存保护、外设保护和代码访问保护。
1.2 MPU 可配置的三种内存类型
1）Normal memory
CPU 以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，对于这种内存区，CPU 的加载或存储不一定要按照程序列出的顺序执行。
2）Device memory
对于这种类型的内存区，加载和存储要严格按照次序进行，这样是为了确保寄存器按照正确顺序设置。
3）Strongly ordered memory
程序完全按照代码顺序执行，CPU 需要等待当前的加载/存储指令执行完毕后才执行下一条指令。这样会导致性能下降。
1.3 MPU 的使用
MPU 可以配置保护 16 个内存区域（这 16 个内存域是独立配置的），每个区域最小要求 256 字节，每个区域还可以配置为 8 个子区域。由于子区域一般都相同大小，这样每个子区域的大小就是 32 字节，正好跟 Cache 的 Cache Line 大小一样。
使用时把一段连续的内存区配置为一个 MPU 保护区域，然后再配置这个 MPU 保护区域的特性。比如 128KB 的 DTCM、64KB 的 SRAM4、32MB 的 SDRAM。MPU 保护区域的特性使用 MPU_RASR 寄存器来配置（PM0253.Rev 5, page227），描述如图 1 所示。
1）XN：用于控制这个 MPU 保护区域能否执行程序代码。
2）AP：用于控制这个 MPU 保护区域的特权级和非特权级的读写访问权限，具体如图 2 所示。
3）TEX、C、B、S：H7 支持 4 种 Cache 策略，这几位就是用来控制这个 MPU 保护区域使用哪一种，如图 3 所示。
S 位用于解决多总线或者多核访问的共享问题，一般不要开启。
4）SRD：这个位用于控制内存区的子区域 ，使用的是 bit[15:8]，共计 8 个 bit，一个 bit 控制一个子区域， 0 表示使能此子区域， 1 表示禁止。一般情况下，取值 0x00，表示 8 个子区域都使能。
5）SIZE：配置这个 MPU 保护区域的大小。
二、STM32H7 系列 MCU 的 Cache 介绍
Cache 又分数据缓存 D-Cache 和指令缓冲 I-Cache，STM32H7 的数据缓存和指令缓存大小都是 16KB。STM32H7 最高主频是 480MHz，除了 TCM 和 Cache 以 480MHz 工作，其它 AXI SRAM，SRAM1，SRAM2 等都是以 240MHz 工作。数据缓存 D-Cache 就是解决 CPU 加速访问 SRAM。
如果每次 CPU 要读写 SRAM 区的数据，都能够在 Cache 里面进行，自然是最好的，实现了 240MHz 到 480MHz 的飞跃，实际是做不到的，因为数据 Cache 只有 16KB 大小，总有用完的时候。
2.1 Cache 的操作
读操作： 如果 CPU 要读取的 SRAM 区数据在 Cache 中已经加载好，这就叫读命中（Cache hit），如果 Cache 里面没有怎么办，这就是所谓的读 Cache Miss。
写操作： 如果 CPU 要写的 SRAM 区数据在 Cache 中已经开辟了对应的区域（专业词汇叫 Cache Line，以 32 字节为单位），这就叫写命中（Cache hit），如果 Cache 里面没有开辟对应的区域怎么办，这就是所谓的写 Cache Miss。
2.2 H7 支持的 Cache 策略
<回写：如果 Cache 中有，写数据只写到 Cache，不写到 RAM。>
<透写：如果 Cache 中有，写数据也要同时写到 Cache 和 RAM。>
<write allocate：写数据时，如果 Cache 中没有，那么就要在 Cache 中开辟一个空间，把数据写入 Cache，同时把 RAM 中的相邻数据加载进来填充 Cache。>
<no write allocate：写数据时，如果 Cache 中没有，那么把数据直接写入 RAM。>
<read allocate：读数据时，如果 Cache 中没有，那么就要在 Cache 中开辟一个空间，把数据从 RAM 中加载进来，后续的读操作，就可以直接从 Cache 中读取了。>
<no read allocate：读数据时，如果 Cache 中没有，那么直接从 RAM 中读。>
2.3 Cache 引入的风险
从上面的图就看出来使用 Cache 的风险，因为 DMA 是直接与 SRAM 交换数据的，而 CPU 与 SRAM 之间隔了一个 Cache，如果 DMA 更新了某个数据到 SRAM，CPU 要去访问，而恰好 Cache 中有，那么 CPU 就不会去 SRAM 中拿，就会拿到 Cache 中已经过时的数据。因此使用了 DMA 的内存区要配置为无 Cache 或者拿数据前清一次 Cache。
2.4 相关函数
CMSIS 软件包的 core_cm7.h 文件为 Cache 的配置提供了 11 个函数：
SCB_EnableICache(void) ：用于使能指令 Cache，系统上电后优先初始化即可。
SCB_DisableICache(void) ：用于禁止指令 Cache。
SCB_InvalidateICache(void) ：用于将指令 Cache 无效化，无效化的意思是将 Cache Line 标记为无效，等同于删除操作。这样 Cache 空间就都腾出来了，可以加载新的指令。
SCB_EnableDCache(void) ：用于使能数据 Cache，系统上电后优先初始化即可。
SCB_DisableDCache(void) ：用于禁止数据 Cache。
SCB_InvalidateDCache(void) ：用于将数据 Cache 无效化，无效化的意思是将 Cache Line 标记为无效，等同于删除操作。这样 Cache 空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
SCB_CleanDCache(void)：用于将数据 Cache 清除，清除的意思是将 Cache Line 中标记为 dirty 的数据写入到相应的存储区。
SCB_CleanInvalidateDCache(void) ：此函数是前面两个函数 SCB_InvalidateDCache 和 SCB_CleanDCache 的二合一。将 Cache Line 中标记为 dirty 的数据写入到相应的存储区后，再将 Cache Line 标记为无效，表示删除。这样 Cache 空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
SCB_InvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要 32 字节对齐，大小要是 32 字节的整数倍。用于将数据 Cache 无效化，无效化的意思是将 Cache Line 标记为无效，等同于删除操作。这样 Cache 空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
SCB_CleanDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要 32 字节对齐，大小要是 32 字节的整数倍。用于将数据 Cache 清除，清除的意思是将 Cache Line 中标记为 dirty 的数据写入到相应的存储区。
SCB_CleanInvalidateDCache_by_Addr(uint32_t *addr,int32_t dsize)：可以指定地址和存储区大小，地址要 32 字节对齐，大小要是 32 字节的整数倍。将 Cache Line 中标记为 dirty 的数据写入到相应的存储区后，再将 Cache Line 标记为无效，表示删除。这样 Cache 空间就都腾出来了，可以加载新的数据。
三、MPU 和 Cache 的 HAL 配置例程
//设置某个区域的 MPU 保护
//baseaddr:MPU 保护区域的基址(首地址)
//size:MPU 保护区域的大小(必须是 32 的倍数,单位为字节),可设置的值参考:CORTEX_MPU_Region_Size
//rnum:MPU 保护区编号,范围:0~7,最大支持 8 个保护区域,可设置的值参考：CORTEX_MPU_Region_Number
//ap:访问权限,访问关系如下:可设置的值参考：CORTEX_MPU_Region_Permission_Attributes
//0,无访问（特权&用户都不可访问）
//1,仅支持特权读写访问
//2,禁止用户写访问（特权可读写访问）
//3,全访问（特权&用户都可访问）
//4,无法预测(禁止设置为 4!!!)
//5,仅支持特权读访问
//6,只读（特权&用户都不可以写）
//详见:STM32F7 Series Cortex-M7 processor programming manual.pdf,4.6 节,Table 89.
//sen:是否允许共用;0,不允许;1,允许
//cen:是否允许 catch;0,不允许;1,允许
//返回值;0,成功.
// 其他,错误.
u8 MPU_Set_Protection(u32 baseaddr,u32 size,u32 rnum,u32 ap,u8 sen,u8 cen,u8 ben,u8 Tex)
{
MPU_Region_InitTypeDef MPU_Initure;
HAL_MPU_Disable(); //配置 MPU 之前先关闭 MPU,配置完成以后在使能 MPU
MPU_Initure.Enable=MPU_REGION_ENABLE; //使能该保护区域
MPU_Initure.Number=rnum; //设置保护区域
MPU_Initure.BaseAddress=baseaddr; //设置基址
MPU_Initure.Size=size; //设置保护区域大小
MPU_Initure.SubRegionDisable=0X00; //禁止子区域
MPU_Initure.TypeExtField=Tex; //设置类型扩展域
MPU_Initure.AccessPermission=(u8)ap; //设置访问权限,
MPU_Initure.DisableExec=MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; //允许指令访问(允许读取指令)
MPU_Initure.IsShareable=sen; //是否允许共用
MPU_Initure.IsCacheable=cen; //是否允许 cache
MPU_Initure.IsBufferable=ben; //是否允许缓冲
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_Initure); //配置 MPU
HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); //开启 MPU
return 0;
}
//设置需要保护的存储块
//必须对部分存储区域进行 MPU 保护,否则可能导致程序运行异常
//比如 MCU 屏不显示,摄像头采集数据出错等等问题...
void MPU_Memory_Protection(void) //特意把 SRAM4 设置为不允许 cache，使用 DMA 的变量可以放在这里。但要注意相应 DMA 能否访问 SRAM4
{
MPU_Set_Protection(0x20000000,MPU_REGION_SIZE_128KB,MPU_REGION_NUMBER1,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0); //保护整个 DTCM,共 128K 字节,禁止共用,允许 cache,允许缓冲
MPU_Set_Protection(0x24000000,MPU_REGION_SIZE_512KB,MPU_REGION_NUMBER2,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0); //保护整个内部 SRAM,包括 SRAM1,SRAM2 和 DTCM,共 512K 字节
MPU_Set_Protection(0x30000000,MPU_REGION_SIZE_512KB,MPU_REGION_NUMBER3,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0); //保护整个 SRAM1~SRAM3,共 288K 字节,禁止共用,允许 cache,允许缓冲
MPU_Set_Protection(0x38000000,MPU_REGION_SIZE_64KB ,MPU_REGION_NUMBER4,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,0,1,MPU_TEX_LEVEL0); //保护整个 SRAM4,共 64K 字节,禁止共用,不允许 cache,允许缓冲
MPU_Set_Protection(0x60000000,MPU_REGION_SIZE_64MB ,MPU_REGION_NUMBER5,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,0,0,MPU_TEX_LEVEL0); //保护 MCU LCD 屏所在的 FMC 区域,,共 64M 字节,禁止共用,禁止 cache,禁止缓冲
MPU_Set_Protection(0xC0000000,MPU_REGION_SIZE_64MB ,MPU_REGION_NUMBER6,MPU_REGION_FULL_ACCESS,0,1,1,MPU_TEX_LEVEL0); //保护 SDRAM 区域,共 32M 字节,禁止共用,允许 cache,允许缓冲
}
四、其他说明
值得一提的是，LTDC 也是直接从 RAM 拿数据的，如果使用了 GUI（比如 EMWIN），显示数据可能会暂存在 Cache，而 LTDC 直接从 RAM 拿数据，就可能造成画面撕裂、重影、斑点之类的问题。解决方法是，把显存设置成透写。
从上面的图可以看到，Cache 是在 M7 那个框里面的。而框外面的外设都可以直接与 RAM 交换数据，因此使用外设操作数据时都要考虑一下 Cache 的影响，不然异常可能难以预料。
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