一、问题现象：DMA 数据偶发错位

在 STM32H7 项目中，使用 DMA 进行串口/UART 或 SPI 收发时，经常遇到以下现象：

接收到的数据偶尔出现前几个字节错位或丢失。
发送的数据偶尔被篡改，或 DMA 传输完成但内存中数据未更新。
问题在开启 D-Cache 后出现，关闭 Cache 则正常。

根本原因：Cortex-M7 的 D-Cache 与 DMA 控制器访问同一块内存时，数据一致性被破坏。

二、原理：Cache 与 DMA 为何冲突

STM32H7 内核为 Cortex-M7，带有 L1 I-Cache 和 D-Cache。D-Cache 会缓存 CPU 对内存的读写：

CPU 写数据：先写入 Cache，标记为 dirty，稍后才写回内存。若此时启动 DMA 发送，DMA 从内存读取的是旧数据。
DMA 写数据：直接写入内存，但 CPU 可能仍从 Cache 读取旧值，导致读到过期数据。
DMA 读数据：若 CPU 之前写过该区域，数据可能还在 Cache 中未回写，DMA 读到旧内容。

因此，必须通过 MPU 配置内存属性 或 手动维护 Cache 一致性 来解决。

三、MPU 配置步骤

MPU（Memory Protection Unit）可将特定内存区域配置为：

Non-cacheable：完全绕过 Cache，适合 DMA 缓冲区。
Write-through：写操作同时更新 Cache 和内存，适合只读或写少读多场景。
Write-back：默认，需手动 clean/invalidate。

3.1 配置流程

使能 MPU：SCB->CTRL |= SCB_CTRL_MPU_Msk;
选择区域号（0~15），设置基地址和大小。
设置属性：TEX、C、B、S 位。
使能该区域并更新。

3.2 关键寄存器

MPU->RBAR：基地址 + 区域号 + 有效位。
MPU->RASR：大小、属性、使能。
MPU->CTRL：使能 MPU。

四、完整代码示例

以下代码将 0x30000000 开始的 32KB 区域配置为 Non-cacheable，用于 DMA 缓冲区。

#include "stm32h7xx.h"

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

void MPU_Config(void)
{
    // 禁用 MPU
    HAL_MPU_Disable();

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};

    // 配置区域 0
    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_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);
}

// DMA 发送前：若缓冲区可缓存，需 clean D-Cache
void DMA_SendData(uint8_t *pData, uint16_t len)
{
    // 若 MPU 已配置为 Non-cacheable，则无需 clean
    // 否则调用：SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)pData, len);
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, pData, len);
}

// DMA 接收后：若缓冲区可缓存，需 invalidate D-Cache
void DMA_ReceiveData(uint8_t *pData, uint16_t len)
{
    // 等待 DMA 完成
    while (HAL_UART_GetState(&huart1) != HAL_UART_STATE_READY);
    // 若 MPU 已配置为 Non-cacheable，则无需 invalidate
    // 否则调用：SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)pData, len);
    // 处理数据...
}

五、排查与解决思路

确认问题：关闭 D-Cache 后问题消失，基本可判定为 Cache 一致性。
定位缓冲区：找到 DMA 使用的内存地址，检查其 MPU 属性。
配置 MPU：将 DMA 缓冲区设为 Non-cacheable 或 Shareable。
手动维护：若不能改 MPU，则在 DMA 传输前后调用 SCB_CleanDCache_by_Addr 和 SCB_InvalidateDCache_by_Addr。
注意对齐：Cache 操作要求地址 32 字节对齐，长度也需对齐。

六、注意事项

MPU 区域大小：必须是 2 的幂，且基地址对齐到区域大小。
多区域重叠：高优先级区域会覆盖低优先级，注意编号顺序。
DMA 与 CPU 竞争：即使 Non-cacheable，也要避免 CPU 和 DMA 同时写同一区域。
性能权衡：Non-cacheable 会降低 CPU 访问速度，建议仅对 DMA 缓冲区使用。
Cache 维护函数：SCB_CleanDCache_by_Addr 写回，SCB_InvalidateDCache_by_Addr 无效化，注意不要对未对齐地址使用。
中断与 DMA：在 DMA 完成中断中处理数据前，确保已 invalidate 对应 Cache 行。

七、总结

STM32H7 的 Cache 与 DMA 冲突是嵌入式开发中的经典陷阱。通过合理配置 MPU，将 DMA 缓冲区设为 Non-cacheable，或手动维护 Cache 一致性，可彻底解决数据错位问题。建议在项目初期就规划好内存布局，避免后期调试困难。掌握本文方法后，你也能轻松驾驭 STM32H7 的高性能与数据一致性。

STM32H7 的 MPU 配置与 Cache 一致性：DMA 收发数据偶发错位的排查与解决