STM32F7是第一款帶有內部高速緩存的STM32微控制器，所以接下來我們會介紹一些和高速緩存和Cache相關的基本概念，會介紹一些如果是開發者在使用STM32F7的時候需要注意的事情。

STM32F7的內核中帶有一級高速緩存，實現了4K的數據緩存和4K的指令緩存。

下面介紹一下什么是高速緩存和與高速緩存相關的一些基本概念。

高速緩存就是高速存儲器塊，包括地址信息和相關聯的數據，它的目的主要是為了提高對存儲器的平均訪問速度。

執行代碼的時候CPU每次都要去訪問FLASH，而我們知道FLASH的讀取速度是遠遠低于CPU的主頻的，所以需要設置一個等待周期來保證能夠正確地從FLASH中把數據讀出來。有了Cache之后，第一次訪問FLASH讀取出需要的指令和數據之后，可以把指令和數據先放到Cache里，當下次再需要這部分內容的時候就不需要再去訪問FLASH，而是直接從Cache中把這部分內容讀出來，這樣就可以提高存儲器的平均訪問速度和程序的執行速度。

高速緩存的這種應用是基于下面兩個程序的局部性：

一個是空間局部性，如果一個存儲器的位置被訪問，那么將來它附近的位置也會被訪問，比如順序執行代碼或者是使用一個數據結構。

另一種是時間局部性，被訪問過一次的存儲器位置，接下來會被多次引用。比如代碼中的循環。

下面介紹一下高速緩存中的一些術語。

緩存行是指邏輯上的一組存儲器位置，是內存交換數據的最小粒度。

緩存命中是指要訪問的數據或者指令已經在緩存中。

緩存缺失是指要訪問的數據或者指令不在緩存中。

處理器需要訪問某個可緩存的寄存器位置時，會先檢查緩存內是否已經存在該位置的內容。如果緩存命中，就直接從緩存讀出；如果緩存缺失，就從存儲器中讀出，同時放入緩存。

緩存分配是指當出現緩存缺失時，需要在緩存中發現一個位置，并且把新的緩存數據存到這個位置。在緩存分配時有兩種策略，一種是讀分配，就是說在進行讀操作發生緩存缺失的時候，進行緩存分配，所有可緩存的存儲器都是讀分配；另一種是寫分配，是在進行寫操作發生緩存缺失的時候進行緩存分配。

在應用高速緩存的時候會帶來一致性問題，一個原因是程序員不能控制對存儲器的訪問時機，不知道什么時候會發生CPU訪問存儲器，可能在讀數據寫數據的時候都是從緩存中讀從緩存中取和把數據寫到緩存中，根本就沒有真正地訪問存儲器，可能在某一個時刻緩存滿了，但又需要存新的緩存內容，這個時候可能會把數據重新寫到FLASH中，這個時機是程序員不能控制的。另一個問題是同一個數據被保存在多個物理位置，被保存在緩存里，又被保存在FLASH中，這兩個物理位置中的數據并不都是一致的，所以這個時候就會出現一致性問題。

驅逐是指從緩存中移除一個緩存行，為新的數據騰位置的過程。它發生在一個標位“dirty”的緩存行被新的緩存行替代的時候，標位“dirty”是說現在數據還只是存在緩存里，需要更新到存儲器中。

回寫是指在對數據進行操作時，只更新緩存，然后將緩存行標記為“dirty”，當這個緩存行需要被替換的時候，再將數據寫到存儲器中。

透寫是指在對數據進行操作的時候同時更新緩存和二級存儲，這時候緩存行不被標記為“dirty”。

緩存策略

第一種：透寫，就是說數據直接同時寫到緩存和下一級存儲器中。

第二種：回寫，是說數據只寫到緩存。

Cortex-M7高速緩存

Cortex-M7的高速緩存采用了哈佛結構，指令緩存和數據緩存都是分開的，而且是可選的，只在AXIM接口有緩存。對于M7的系統架構來說，增加了Cache之后它增加了Cache的維護操作，增加了新的相關寄存器，最重要的是使用Cache會對系統軟件有影響。

Cortex-M7高速緩存全面支持下列的緩存屬性：

透寫，不支持寫分配；

回寫，不支持寫分配；

回寫，支持寫分配。

回寫的方式有利于優化性能，因為減少了對FLASH的訪問次數，但是會帶來一致性的問題，Cortex-M7沒有對一致性的硬件支持，所以需要從軟件的層面去保證數據的一致性。

對于一致性有兩種可選方案

一種是把所有的共享存儲器都定義為共享屬性，定義為共享屬性之后這些區域將默認不被緩存到D-Cache，由于所有的操作都是直接針對二級存儲器進行的，性能就會降低。但是因為這種情況下緩存對于這些區域是透明的，所以寫軟件會更容易。

另一種是通過軟件對cache進行維護，包括兩個方面，一方面M7的寫操作必須是全局可見的，另一方面其他主設備的寫操作要對M7可見。

存儲器的屬性可以由MPU來進行設定，包含共享屬性、分配策略和存儲器類型。

下圖是存儲器默認的映射和屬性

最后說一下初始化和使能以及緩存的時候需要注意的問題

上電復位時，在使能之前，cache必須全部被作廢，作廢就是告訴CPU現在緩存中的數據已經沒有用了，如果想對這些數據進行操作的話必須重新從二級存儲中把它讀出來。如果不這樣做，可能會引發程序不可預測的行為。如果是通過軟復位并且確定復位前RAM中的值都是可靠的，可以不用做這一步。

為了保證數據的一致性，必須在除能D-cache之前對其進行清理，這個只在使用回寫策略時需要，如果不這么做就可能會丟失數據。

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總結

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