一、为什么 DMA 与 D-Cache 会打架？

Cortex-M7 的 D-Cache 位于内核与总线矩阵之间。CPU 访问内存时，若命中 Cache 则直接读写 Cache，不会立即同步到 SRAM。而 DMA 控制器直接访问 SRAM，不经过 Cache。

CPU 写数据后启动 DMA 发送：数据可能还在 Cache 中，DMA 读到的是旧值。
DMA 接收数据后 CPU 读取：Cache 中可能缓存了旧数据，CPU 读到旧值。

因此，必须在 DMA 传输前后对 Cache 进行维护操作。

二、MPU 配置：为 DMA 缓冲区划定安全区

STM32H7 的 MPU 可将特定内存区域配置为 Write-Through 或 Non-Cacheable，从根本上避免一致性问题。推荐将 DMA 缓冲区放在 Non-Cacheable 区域。

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

    MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
    MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x30000000; // D2 SRAM 地址
    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; // 关键：非缓存
    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);
    HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

将 DMA 缓冲区放在 0x30000000 起始的 64KB 区域，并设为 Non-Cacheable。
若使用 DTCM（0x20000000），注意 DTCM 本身不经过 Cache，无需维护，但 DMA 无法访问 DTCM。

三、clean 与 invalidate 的边界条件

若无法使用 Non-Cacheable 区域，则需手动维护 Cache。CMSIS 提供两个函数：

SCB_CleanDCache_by_Addr(addr, size)：将 Cache 中已修改的数据写回 SRAM。
SCB_InvalidateDCache_by_Addr(addr, size)：丢弃 Cache 内容，强制下次从 SRAM 读取。

边界条件（极易出错）：

地址必须 32 字节对齐：Cortex-M7 Cache Line 为 32 字节。若地址未对齐，clean/invalidate 会操作包含该地址的整个 Cache Line，可能误伤相邻数据。
size 应为 32 的整数倍：否则同样会波及多余区域。
invalidate 前必须确保 Cache 中没有未写回的数据：否则会丢失数据。正确顺序是：先 clean，再 invalidate。
DMA 接收时：先 invalidate 再启动 DMA，防止 CPU 读到旧 Cache；DMA 完成后再次 invalidate 再读取。
DMA 发送时：先 clean 再启动 DMA，确保 SRAM 数据最新。

四、完整代码示例：UART DMA 发送与接收

以下示例使用 D2 SRAM 中的缓冲区，并演示 clean/invalidate 的正确用法。

#include "stm32h7xx_hal.h"

#define BUF_SIZE 128
__attribute__((section(".dma_buffer"), aligned(32)))
uint8_t tx_buf[BUF_SIZE];
__attribute__((section(".dma_buffer"), aligned(32)))
uint8_t rx_buf[BUF_SIZE];

// 发送前：clean D-Cache
void DMA_SendData(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    memcpy(tx_buf, data, len);
    SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t *)tx_buf, len);
    HAL_UART_Transmit_DMA(huart, tx_buf, len);
}

// 接收前：invalidate D-Cache
void DMA_StartReceive(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)rx_buf, BUF_SIZE);
    HAL_UART_Receive_DMA(huart, rx_buf, BUF_SIZE);
}

// 接收完成回调中：再次 invalidate 后读取
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t *)rx_buf, BUF_SIZE);
    // 此时 rx_buf 中为 DMA 写入的最新数据
    process_data(rx_buf, BUF_SIZE);
}

使用链接脚本将 .dma_buffer 段定位到 D2 SRAM（0x30000000）。
若 MPU 已将该区域设为 Non-Cacheable，则上述 clean/invalidate 可省略，但保留也无害。

五、注意事项与常见坑

不要对栈上变量做 DMA：栈地址可能未对齐，且 Cache 维护范围难以控制。
HAL 库的 SCB_InvalidateDCache 会操作整个 Cache：除非必要，否则使用 by_Addr 版本。
中断中调用 clean/invalidate 需谨慎：这些操作可能耗时，影响实时性。
多缓冲区场景：每个缓冲区独立维护，避免跨区域误操作。
调试时关闭 Cache：可临时关闭 D-Cache 验证是否为一致性问题。
使用 __DSB() 确保操作完成：在 clean/invalidate 后、启动 DMA 前插入内存屏障。

六、总结

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 共存需要开发者明确数据流向。优先使用 MPU 将 DMA 缓冲区设为 Non-Cacheable，可一劳永逸。若必须使用 Cacheable 内存，则严格遵循“发送前 clean、接收前 invalidate、接收后 invalidate”的原则，并保证地址与长度 32 字节对齐。掌握这些边界条件，才能写出稳定高效的嵌入式代码。

STM32H7 的 D-Cache 与 DMA 数据一致性实战：MPU 配置与 clean/invalidate 的边界条件