MPU(内存保护单元)
: O" T. _9 d8 w6 z% A1. 前言
( C$ a! `* i  W" G( @在跟项目过程中，使用的F7和H7两个芯片，在用FSMC和FPGA通信时，由于其CACHE的原因，导致数据一直出错，后来通过加入MPU顺利解决此问题。因此，去学习了一下MPU，在此记录下学习的笔记，可能有理解错误的地方，欢迎指出。
& S% |2 T1 z4 b参考：
; ^  M* e) c: _2 _' u% I, W* CSTM32F7中文参考手册.pdf
STM32F7编程手册.pdf
STM32 MPU说明.pdf
Cortex M3权威指南(中文).pdf
STM32F7开发指南-寄存器版本_V1.0.pdf
. n! f" N, j3 M0 [2 D
8 D2 v4 Q$ o& ?/ {" @( f; z2. 操作模式和特权级别
详情------Cortex M3权威指南(中文).pdf-----chpt02
: G5 {9 A- e+ D0 `7 x& H7 R6 P5 L
2.1操作模式
Handler模式：异常服务相关的代码
线程模式：普通应用相关的代码
! }7 W" U: G# u3 J+ b个人理解是如中断服务程序的代码与正常执行的代码。

2.2 特权级别
$ F+ S. x& y  a* f) ~5 O分：a.特权级 b.用户级
0 i8 w0 F# z. F. D/ R区别在于对存储器的访问权限不同，特权级相当于管理员权限，除了MPU限制的区域外其他都可以访问，而并不是所有区域都对用户级开放。
% e( ~. Y7 s  P
" k. ~( B' G& Q  R8 l+ \2.3 联系

  _: L1 u4 V4 U$ E# V' L
8 i. R! M" V1 d/ }7 a$ N) W) L/ a/ A正常执行的应用程序代码，对特权级和用户级开放；但是异常代码如中断服务程序，仅能对特权级开放。

) Y& O) [  b# s5 l. n# x

" @# s8 A7 q$ E: l( v* d
如图：当产生异常时要去执行异常代码，执行完成返回到断点。而无论在用户级还是特权级线程模式下，即使是用户级，在进入handler代码时也会暂时被提升到特权级模式，因为handler模式不能被用户级访问。
特权级可任意访问，包括切换到用户级，仅需要修改CONTROL寄存器即可。
但是用户级切换到特权级不同，需要先申诉(执行SVC指令，触发该异常，进入异常服务代码)，由于异常服务代码中是特权级模式，因此可以任意修改CONTROL寄存器，这样才能将用户级----转换---->特权级。

9 d% O8 i$ i( e3 j$ C% H3. MPU
9 s+ d7 w, @# B- n- i% H% VMemory Protect Uint-----内存保护单元

3.1 作用
1 ]& _  P! a: M* l' N/ l+ x参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

其实更多给我的理解是：通过MPU对存储器的某些区域进行属性设置，设置其对特权级/用户级开放，可读可写/只读/只写、禁止访问、全访问、支持/禁止CACHE、缓冲等等的属性，通过MPU管理存储器，不至于某块内存被非法访问、数据破坏、CACHE等等。

' ]4 L: G' j7 T) ?; l4 s3.2 REGION（区）
STM32F7支持8个区，也就是说，MPU控制器通过8个区来管理存储器。
& n! e9 d/ W5 P4 h, H% W如果8个区不够，每个区都可以再细分为8个子区。大概理解图如下

* u" d( h* b' ]( D6 f2 [5 P

背景区
" ]* q! ~) e8 P* c6 ^# ]背景区，即没有被设置到MPU管理区的其他所有地址，背景区只能被特权级访问。否则出现MemManage异常，如果开了MemManage，会进入MemManage中断服务程序。

3.3 MPU寄存器
3 k. u0 l# H/ J. z5 OM3权威指南中的MPU寄存器

& [4 v3 [1 S) I. y, D3 D# L
原子教程中的寄存器

9 f$ f7 K. `" n( J
M7 MPU手册

MDK工程中MPU控制器的寄存器
, R" t2 D  P9 s7 Z2 S( r" N0 H. X
6 B" `* L- V* k9 J8 U0 K2 z

其中
6 ]2 u3 p" E7 x" `

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   * f! \/ {! v8 v. B
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   4 s/ R4 y; t3 o8 w( N, I9 p
4. #endif
   / v" f' u2 P6 B  l/ T, u9 B% C# _
5. 
   
6. 
   
7. #define SCS_BASE            (0xE000E000UL)                            /*!< System Control Space Base Address */

复制代码

. B2 j) ^! l2 ^' T4 G) \: D& Q( n可以看出MPU指向0xE000ED90，并结合MPU_Type类型，可以推算出，其每个寄存器的地址，都和M3权威手册中的寄存器对得上，因此放心操作。
0 x+ e" G; \4 ~8 k3 \  w0 v% n
5 }$ P+ [7 A5 C1 n1 YMPU 控制寄存器（CTRL）
3 S  C+ }! k3 Q3 \
# G. R6 `( Q, Y9 q

3 g1 A& t7 v5 S仅三个位有效
1 S& ?5 E# G5 n/ fPRIVDEFENA：配置为1，特权级能访问背景区，用户级不行，而配置为0，仅能访问REGION区，其他都会出错，包括属于背景区的区域。
HFNMIENA：用于在NM1或者FAULT中断关闭MPU
ENABLE:使能
% |" i8 V4 ]  L: [
+ c+ v5 q# t9 F8 S1 A) U* Z编号寄存器（RNR）

3 [4 P& z) V# W' D7 U% n4 u3 ]% x
" H4 ]- U) _3 K( m( t% M$ H- D配置每个区时要先写该寄存器，MPU控制器就知道在配置哪个区。比如要配置REGION 1,需要向RNR寄存器写入一个1；配置好后需要配置REGION5，仍向RNR写入5。
8 x( \4 l! `' |# S1 n: E9 N1 ]
2 t& J, R# C  n' F& g, B9 hMPU 基地址寄存器（RBAR）
/ Q1 C+ H% z; T

- A" t3 N9 r/ B% ]* |( d) h, _
一般不适用VALID位和REGION位，这两位的意思是覆盖RNR里面的值，也就是这两个的值才是我们正在配置的REGION,RNR不生效。
9 n" \* I2 E# f; [, _5 x
ADDR：配置MPU某个REGION管理的存储器的基地址，要求是----需要该地址需要是REGION大小的整数倍，比如REGION1设置为64K，那么ADDR的值需要如0X0001 0000、0X0002 0000等，0X0001000065536/102464K刚刚好

MPU 区域属性和容量寄存器（RASR）
3 |2 u. L- N7 j; _8 C; h- m

4 y5 z; w) {0 v: b0 IXN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
4 N% ^& W. J4 V# U$ TAP：基本是6种形式。

5 z$ M$ Z" N) M9 B7 D

4 f. ?  L3 }. h& W1 n- r
分别是：全禁止(任何级别不可读写)，只特权可读可写，用户级不可写，任何级别可读可写，只特权只读，只读。
TXE,C,B,S
9 ~, N+ ?& h& {$ N- H. _
3 ?' L% x! K2 |* z) R4 c( W

9 j* n: x1 f8 h

2 _) U1 n0 P3 b0 }/ b( j" ^- C6 ?8 }其中：
0 |: a1 C8 k. A+ {3 a, ]强序-------------按照程序一条指令一条指令顺序执行。
: {3 G: I% j1 I共享------------一块内存可同时被多个设备访问，比如两个DMA同时访问某个区域。
缓冲------------类似有个缓冲器，但是要考虑是否有数据缓冲的阈值，未验证。
缓存-----------CACHE，有命中和MISS，可能造成数据不一致，但是效率较快。
) `# c/ b& |- S. x& ~7 P写回-----------CPU更新到CACHE，仅当需要丢弃时CPU将数据更新到主存，期间数据不一致。
) C/ Z1 G3 N+ q! G* P+ ~: X写通-----------CPU更新数据时，CACHE和主存都更新。
$ d; J, z" I8 |& `1 c# ^1 \
* l7 F. Y. ^/ e- u; i1 ~! Z$ A注意
M3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。

% |4 O* @3 U" d
3.3 相关代码
初始化，将SRAM 0X20002000设置为128字节，不可共享/缓冲/CACHE，且只能特权级读

5 y% q( B( r: P& d- \9 N6 Z. q

1. /**************************
   * l. b/ h( ~$ @4 p" r
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   1 B$ B9 j4 I/ J  z! R; `
3.         功能：MPU初始化
   
4.         参数：无
   6 X- ^' M  J1 Z/ _% D5 N
5.         返回值：无
   7 l; \* u2 Y" U% B9 ?  z/ \/ Q
6. ***************************
   / s/ T4 {. n  j2 I$ N
7. */
   3 S% {+ L1 C9 {& L
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   7 i" W* Y: T2 K. i0 F7 A
9. {
   
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    
14.                 //MPU->CTRL &= ~(1<<2);                        // 背景区
    
15.                 MPU->CTRL |= (1<<2);                        // 背景区
    
16.                 MPU->CTRL &= ~(1<<1);                        // 不强制除能MPU
    
17.                 MPU->RNR &= ~(0X7<<0);                // 配置哪个区，只有低3位有效
    7 X0 E. t! s! S/ p
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    ; r- g4 L" |0 s! {' ^0 p
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    
21.                 MPU->RBAR|=0X20002000;                // 地址0x20020000
    / W+ S& g4 F- x5 ?
22.                 rasr &= ~(1<<28);                        // XN : 1禁止取指  0允许取指
    
23.                 //rasr |= (1<<28);                        // XN : 1禁止取指  0允许取指
    ( N$ J  H( x7 b6 Y2 F' J
24.                 rasr &= ~(0X7<<24);        // AP：101只读
    
25.                 rasr |= (5<<24);
    8 I6 x  {! N& b7 D+ K7 r
26.                 rasr &= ~(0X7<<19);        // TEX：001  C:0 B:0  S:0  片内外不可缓存型内存
    
27.                 //rasr |= (1<<19);
    / B0 _6 h7 ~  ^& F! x8 y% }
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    & T  M& U1 ~2 Q: S3 n. p
29.                 //rasr |= (1<<16);
    
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    8 b7 K; h# X% m
32.                 rasr |= (6<<1);
    
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    ! X* }$ p  e% {
35.                 // 使能MPU
    : k( S# ]& j  [7 B
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
      D1 w* p0 T- {  X  F9 u
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    % K' u4 w7 Y5 Y3 T. @- G9 ^
38. }

复制代码

测试，写入一个值，即进入MEM中断
- G0 U2 `# y0 F6 V0 z" F+ L

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   5 V- Q( }; E7 @9 c" r
2. void MPU_Test(void)
   
3. {
   
4.                 u8 key = 0;
   
5.                 key = KEY_Scan(1);
   + h6 h8 E/ [6 @, f% Y0 }7 v
6.                 if (key!=0)
   
7.                 {
   ( Q' Y1 b! A" u2 O. d9 {" ]) Y
8.                                 mpu_test = 20;
   
9.                 }
   6 B% S9 Y1 I0 k
10. }
    

复制代码

' t" l1 L: y: _& ^8 Y' m
8 f- I/ _$ w, F( o" l
& R* E' K8 ~+ a/ X