STM32--MPU内存保护单元

Posted 2022-03-25 Z小旋

先说明一下MPU，MPU有很多含义，我们常见的有：

MPU：Memory Protection Unit，内存保护单元（本文描述的内容）；

MPU：Microprocessor Unit，微处理器；

MPU-6050 陀螺仪 跟这个就更是差了十万八千里了

所以请不要搞混

STM32–MPU内存保护单元(二）

MPU

MPU，即内存保护单元，可以设置不同存储区域的存储器访问特性（如只支持特权访问或全访问）和存储器属性（如可缓存、可缓冲、可共享），对存储器（主要是内存和外设）提供保护，从而提高系统可靠性

通过这些规则可以实现如下功能

• 防止不受信任的应用程序访问受保护的内存区域。
• 防止用户应用程序破坏操作系统使用的数据。
• 通过阻止任务访问其它任务的数据区。
• 允许将内存区域定义为只读，以便保护重要数据。
• 检测意外的内存访问。

也就是内存保护、外设保护和代码访问保护 设置一段内存是只读，还是只允许高权限访问，还是禁止访问等

MPU可以保护的区域为内存映射区 memory map

内存映射区就是 32 位的 CM7 内核整体可以寻址的 0 到 2^32 -1 共计 4GB 的寻址空间。通过这些地址可以访 问 RAM、Flash、外设等。下面是内存映射的轮廓图，IC 厂家使用时，再做细分，添加相应的硬件功能

也就是说 MPU可以保护我们的保护内存区域（SRAM 区）不受非法干扰，也可以保护我们的外设区（比如 FMC）

MPU 区域（region）

STM32H7 的 MPU 提供多达 16 个可编程保护区域（region）每个区域最小要求 256 字节，序号范围是 0 到 15， 每个区域（region）还可以被进一步划分为更小的子区域（sub region），每个区域（region）都有自己的可编程起始地址、大小及设置。

这些内存区可以嵌套和重叠，所以这些区域在嵌套或者重叠的时候有个优先级的问题。MPU 可以配置的 16 个内存区的序号范围是 0 到 15，序号15 的优先级最高，以此递减，还有默认区 default region，也叫作背景区，序号-1，即背景区的优先级最低。这些优先级是固定的

MPU 功能必须开启才会有效，默认条件下，MPU 是关闭的

MPU在执行其功能时，是以“region区域”为单位的。一个region其实就是一段连续的地址，只是它们的位置和范围都要满足一些限制（对齐方式，最小容量等）

MPU 区域（region）优先级

MPU 定义的区域（region）还可以相互交迭。如果某块内存落在多个区域（region）中，则访问属性和权限将由编号最大的 region 来决定。比如，若 3 号 region 与 5 号 region 交迭，则交迭的部分受 5 号 region 控制

比方说5号区域（region）内存是只读模式， 3 号 region内存是读写模式 那么重叠的部分就变成了只读模式，如果对其写入数据则会报错

MPU背景区

MPU在Region区域之外，还允许启用一个背景区域（即没有MPU 设置的其他所有地址空间），上面图片的空白存储区域。背景区域只允许特权访问。在启用 MPU 后，就不得再访问定义之外的地址区间，也不得访问未经授权的区域（region），否则，将以“访问违例”处理，触发 MemManage 异常

具体的我们在寄存器中讲解，你就会有一个清晰的了解。

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MPU 设置是由 CTRL、RNR、RBAR 和 RASR 等寄存器控制的，其中最主要的就是RASR寄存器，下面我们来一一介绍

1.MPU 控制寄存器（CTRL），该寄存器只有最低三位有效

• PRIVDEFENA 位用于设置是否开启背景区域（region），通过设置该位为 1 即可打开背景区
• HFNMIENA 位用于控制是否在 NMI 和硬件 fault
• ENABLE 位，则用于控制是否使能 MPU

如果PRIVDEFENA 设置为0 那么就只能访问MPU的设置的内存区域，如果访问其他地址就会报错

2.MPU 区域编号寄存器（RNR）
该寄存器只有低 8 位有效 可以读写

在配置一个区域（region）之前，必须先在 MPU 内选中这个区域，我们可以通过将区域编号写入 MPU_RNR 寄存器来完成这个操作。该寄存器只有低 8 位有效，不过由于 STM32H7最多只支持 16 个区域，所以，实际上只有最低 4 位有效（0~15）。在配置完区域编号以后，我们就可以对区域属性进行设置了。

也就是设置要配置那个一内存区域（region）

3. MPU 区域属性和容量寄存器（RASR）

该寄存器是一个32位的寄存器 其中31:29位 27位 23:22位保存，没有作用

• XN(28位)：用于控制是否允许从此区域提取指令，如果 XN=1，说明禁止从区域提取指令，即这块内存区禁止执行程序代码，如果设置XN=0，则允许提取指令 即这块内存区可以执行程序代码
• AP 位（bit[26:24]），用于控制Region区域内数据的访问权限（访问许可）三位就对应8中情况

具体设置如下：

注意： 下面的TEX，C，B 和 S 都是设置Cache高速缓存的，正常使用MPU是做内存保护，用上面的AP位即可，如果没有用到Cache，下面的配置有个了解即可，在HAL库配置的时候直接禁止，不会有任何影响

如果对Cache不了解，具体可看：STM32H7—高速缓存Cache(一)

TEX，C，B 和 S 的定义如下，这仅关注 TEX = 000 和 001，其它的 TEX 配置基本用不到。

• C位：用于使能或者禁止Cache
• B位：用于配合C位实现Cache下是否使用缓冲
• S位：用于位用于控制存储器的共享特性，S=1,则二级存储器不可以缓存（Cache），如果设
  置 S=0，则可以缓存（Cache），一般我们设置该位为 0 即可。

按照配置的不同，总共可以分成以下四种：

read/write-through/back/allocate的区别：
一、CPU读Cache

1. Read through：直接从内存区读取数据
2. Read allocate：先把数据读取到Cache中，再从Cache中读取数据

二、CPU写Cache
若hit命中，有两种处理方式：

1. Write-through：在数据更新时，把数据同时写入Cache和存储区
   操作简单，但是写入速度慢
2. Write-back：只有在数据被替换出缓存时，被修改的缓存数据才会被写到后端存储。
   写入速度快，但是一旦更新后的数据未被写入时出现断电，则数据无法找回

若miss，有两种处理方式：

1. Write allocate：先把要写的数据载入到Cache中，写Cache，然后再通过flush的方式写入到内存>中。
2. No-write allocate：并不将写入位置读入缓存，直接把要写的数据写入到内存中。

什么叫hit/miss：

一、读操作
如果CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，这就叫读命 中（Cache hit），如果Cache里面没有怎么办，这就是所谓的读Cache Miss。
二、写操作
如果CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域（专业词汇叫Cache Line，以32字节为单位），这就叫写命中（Cache hit），如果Cache里面没有开辟对应的区域怎么办，这就是所谓的写Cache Miss。

• SRD位： 用于控制内存区的子区域，一共有8bit，一个bit控制一个子区域，一般都开启
• RegionSIZE位：配置Region内存区域的大小，最小为32位 可以为32kb 64kb 128kb等等

4. MPU 基地址寄存器（RBAR）

• ADDR： Region内存区的首地址

注意一定要保证首地址跟内存区的大小(RegionSIZE位)对齐，例如，我们定义某个 region 的容量(RegionSIZE位)是 64KB，那么它的基址（ADDR）就必须能被 64KB 整除,也就是这个地址对 64KB，即 0x00010000 求余数等于 0,比如0X0001 0000、0X0002 0000、0X0003 0000 等都可以被整除

• VALID 区域编号是否覆盖，如果为1的话将会重新修改ADDR Region内存区的编号
• REGION 段（bit[3:0]） ： 新编号，四位地址对应（0~15）

Region内存区的编号在初始化的时候就设置完成，所以一般VALID位设置为0

关于MPU一些基本原理和寄存器就先探讨到这里，下一篇我们来看下HAL库里MPU的配置以及如何使用。

STM32H7内存默认映射和属性

STM32H7 FMC地址