摘要：在 STM32H7 上，DMA 采集的数据 CPU 读出来是乱码，或者 CPU 写的数据 DMA 发不出去？不是 DMA 配置错了，而是 Cache 一致性（Cache Coherency）​ 问题。本文解析 Cache 的工作原理及 Clean/Invalidate 操作。

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一、问题现象（玄学现场）

场景 1：摄像头通过 DMA 传图到 RAM，CPU 读取图片数据，发现一半是旧的。

场景 2：CPU 更新了发送缓冲区，DMA 发出去的却是上一次的数据。

场景 3：加了 printf调试后，DMA 突然正常了。

这些现象的共同点是：数据在“路上”丢了，而路就是 Cache。

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二、原理分析：CPU 眼中的“假内存”

1. 物理模型：Cache 是什么？

Cache 是 CPU 和 DDR/AXI-RAM 之间的高速缓冲池。

CPU <-> Cache <-> RAM <-> DMA

2. 核心痛点：三个视角，三种真相

当 CPU 写数据到 RAM 时：

角色	看到的数据
CPU​	新数据（在 Cache 里）
RAM​	旧数据（还没来得及写回去）
DMA​	旧数据（读的是 RAM）

结果：DMA 发送了旧数据。

当 DMA 写数据到 RAM 时：

角色	看到的数据
DMA​	新数据（写入 RAM）
RAM​	新数据
CPU​	旧数据（Cache 命中，没去 RAM 读）

结果：CPU 读到了旧数据。

3. 反直觉真相：Cache 策略

• Write-Back：CPU 写数据只写到 Cache，不立即写回 RAM（快，但有风险）。

• Write-Through：CPU 写数据同时写 Cache 和 RAM（慢，但安全）。

• Read Allocate：读缺失时，分配 Cache 行。

默认配置：大多数高端 MCU 默认开启 Write-Back + Read Allocate，这是 Bug 的根源。

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三、工程级解决方案

方案 1：Clean（清洗）与 Invalidate（作废）

这是解决 Cache 问题的两个核心操作。

操作	英文名	作用
Clean​	SCB_CleanDCache_by_Addr()	把 Cache 里的脏数据强行写回 RAM​
Invalidate​	SCB_InvalidateDCache_by_Addr()	把 Cache 里的数据标记为无效，下次必须从 RAM 读

2. 实战代码：DMA 发送（CPU -> DMA）

流程：CPU 准备好数据 -> Clean Cache -> 启动 DMA。

// 1. CPU 填充数据
Prepare_Tx_Data(tx_buffer);

// 2. Clean Cache（关键步骤）
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)tx_buffer, BUFFER_SIZE);

// 3. 启动 DMA
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, BUFFER_SIZE);

3. 实战代码：DMA 接收（DMA -> CPU）

流程：启动 DMA -> 等待完成 -> Invalidate Cache -> CPU 读取。

// 1. 启动 DMA 接收
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, BUFFER_SIZE);

// 2. 等待 DMA 传输完成（中断或轮询）

// 3. Invalidate Cache（关键步骤）
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)rx_buffer, BUFFER_SIZE);

// 4. CPU 读取数据
Process_Rx_Data(rx_buffer);

4. 内存屏障（Memory Barrier）

防止编译器或 CPU 乱序执行。

__DSB(); // 数据同步屏障：确保所有内存访问完成
__ISB(); // 指令同步屏障：清空流水线

用法：

SCB_CleanDCache_by_Addr(...);
__DSB(); // 确保 Clean 操作完成后再启动 DMA
HAL_DMA_Start(...);

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四、进阶：MPU（内存保护单元）配置

如果不想每次都手动 Clean/Invalidate，可以用 MPU 把 DMA 缓冲区设置为 Non-Cacheable（不可缓存）。

MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000; // DMA Buffer 地址
MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_64KB;
MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE; // 禁止 Cache
MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;   // 禁止 Cache
MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;

HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);

优点：一劳永逸，代码最简洁。

缺点：该区域的读写速度会变慢（因为没有 Cache 加速）。

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五、总结 Checklist

• [ ] 是否意识到 DMA 和 CPU 看到的 RAM 内容可能不一致？

• [ ] 发送前是否执行了 SCB_CleanDCache_by_Addr()？

• [ ] 接收后是否执行了 SCB_InvalidateDCache_by_Addr()？

• [ ] 是否配置了 MPU 将 DMA 缓冲区设为 Non-Cacheable？

• [ ] 启动 DMA 前是否加了 __DSB()屏障？

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六、写在最后（关注我，少走弯路）

我是 gqqsherry666，一个拒绝调包、专注底层逻辑的嵌入式架构师。

不带 Cache 的 MCU 是自行车，带了 Cache 的是赛车。​

赛车很快，但一旦失控（Cache 不一致），翻车也最惨烈。

懂得驾驭 Cache，你才能真正驾驭高端芯片。

《嵌入式底层硬核分析》系列正式完结。

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