DCache导致LCD显示异常RootCause深度分析

问题描述：
L1/L2 Cache简介
问题分析：
问题解决：
如何编程：
- Invalide
- Clean
- HyperRAM：
Cache clean/invalidate 操作原理
LCD显示异常常见原因
- LCD图像位移
- LCD图片错位、叠加、重复常见原因
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问题描述：

很多具备Dcache的 LCD显示设备，在MCU程序设计中，经常会发生由于使用DCache引起的数据错误/混乱等问题，导致LCD显示异常，例如出现花屏、页面显示错位、屏幕显示失真等现象。

这都是属于数据一致性问题：

既Cache与外部存储中的数据不一致，会导致core（软件）与硬件模块（例如PXP, eLCDIF）之间配合失败，也会导致不同软件函数间协调失败（比如需要判断flag的）。

接下来深度分析一下，从根本上理解，才能今后尽量规避这类issue~

L1/L2 Cache简介

以ARM Cortex-M7 举例：

• L1，L2 Cache指的都是CPU的缓存，也叫一级/二级缓存，他们比内存快，但是很昂贵，所以用作缓存
• CPU查找数据的时候首先在L1，然后看L2，找到数据了就叫命中，如果都没找到（未命中），再去访问内存

Cortex-M7 架构图如下：

问题分析：

数据不一致问题是一个比较常见的嵌入式开发issue，因为外部设备memory操作（如HyperRAM、Flash、DMA）对于CPU来说也是不透明的，外部设备操作导致内存中数据更新，对于CPU来说是完全不可见的。反之亦然，CPU写入数据到缓冲区，其实是写到了cache，还未写入到外部memory （既cache和外部memory数据不一致）

而在我们的案例中，RootCause正是由于HyperRam与Cache的数据不一致，导致MCU更新LCD 的Framebuffer有误，产生LCD显示异常现象。

再细节一点，就是由于HyperRAM速率和LCD刷新频率不协调，并且由于硬件原因，这两个速率可调整的范围较小，无法完美融合，这些问题导致Framebuffer数据更新不及时，既导致cache中的数据不能及时被更新到HyperRAM，既Framebuffer 数据不能正常更新，发生LCD显示页面花屏、错位等。

这里的数据流是：页面显示过程中，MCU将要变更的Framebuffer数据先写到Cache，然后通过cache 写入到对应HyperRAM地址，而LCD引擎只通过获取HyperRAM里的Framebuffer某一起始地址数据进行显示

问题解决：

因为我们项目中使用GUI lib 是Embedded Wizard（EW），RAM扩展了HyperRAM，所以在代码编程角度，有以下解决思路：

EW刷新UI后， clean 一次 Dcache，强制使其保持数据一致性
将LCD Buffer中DMA操作的数据设置成NonCacheble的
将Dcache关掉

实际应用中，由于第3条关掉Dcache后，我们的LCD显示和操作都会变很慢，所以不能使用

所以最终使用了1、2两种方案结合解决该问题：

如何编程：

在刷新UI页面时，保持Dcache数据一致性可以通过调用Cache 提供的功能性API Lib。
例如在NXP平台，可以调动如下API：

Invalide

首先是Invalide, 强制使cache中的内容无效（相当于invalidate会丢弃cache里的数据，下面会介绍原理）

可以调用：

L1CACHE_InvalidateDCacheByRange()

注意Invalidate操作的地址需要 32-byte对齐

在EW每次Fill data时将Dcache对应内容先Invalid，在End时候做Clean，保持一致性:

L1CACHE_InvalidateDCacheByRange()里其实调用的的SCB_InvalidateDCache_by_Addr()

完整调用栈如下：

Clean

Clean操作会将cache中尚未写入到主存中的数据强制写到主存（既将cache和外部存储数据刷新一次，下面会介绍原理）

通过调用：

L1CACHE_CleanDCacheByRange()

完整调用栈如下：

HyperRAM：

因为我们项目还用到了HyperRam，所以在读取HyperRam上的Frambuffer更新到LCD后，也需要将这段存放数据的内存进行clean cache操作：

Cache clean/invalidate 操作原理

ARM Cache官方文档标注如下：

通过以上说明，可以得出结论：

• clean：将cache中尚未写入到主存中的数据强制写到主存。（可以重建cache与主存之间的一致性，写入后会把cache中的Dirty flag清零）

• invalidate：== flush，将cache中的invalid标志位设置为1/0，使本cache中的内容无效。（相当于invalidate会丢弃cache里的数据。）

如下描述

实际代码调用栈示例：

LCD显示异常常见原因

LCD图像位移

LCD显示在水平方向发生位移，或者在上面或底部有一条几个像素的彩色、白色或黑色条纹。一般来说，出现这种情况，都是因为初始化参数设置不对，和行同步或者场同步信号有关。

显示位置有位移或者错位，就检查LCD模组和CPU上的LCD控制器的行同步与场同步信号的宽度、前后延时、极性的匹配。最可能的就是回扫的前后延时时间不匹配。

另外，这种情况通常错位不会很多，如果出现错位了一半的图像之类的情况，通常就是别的原因造成的了。而且有时候，有的LCD的行信号、场信号的设置还和LCD驱动芯片的部分电压参数的取值设置有关。

LCD图片错位、叠加、重复常见原因

LCD显示上大范围的图像出现错位、叠加或者重复，出现这种情况一般不会是行同步或者场同步信号的延时引起的，基本可以排除这方面的影响。

可以检查下抽样等功能的参数是否正常，还有就是因为LCD的硬件平台不同，而在时序或者时钟频率上存在差异引起的。碰见这种情况首先应该做的就是先仔细计算DMA传输参数。其它的情况要具体问题具体分析。

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