STM32--MPU内存保护单元(一)

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。

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

Read through：直接从内存区读取数据

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：

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

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：

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。

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