MPU(内存保护单元)
1. 前言
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。
; ^0 E" T- D/ N5 H+ J9 m/ D1 f参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
STM32F7编程手册.pdf
; \$ \8 f* ^. Y' R6 g6 ], z) DSTM32 MPU说明.pdf
Cortex M3权威指南(中文).pdf
* F* j- M: F! q9 tSTM32F7开发指南-寄存器版本_V1.0.pdf
1 a5 z) R8 W. ^& k& g3 ^' J
2. 操作模式和特权级别
详情------Cortex M3权威指南(中文).pdf-----chpt02
1 J4 w" Q1 D! m- J! Z
2.1操作模式
* d" O' H8 ]: S( {Handler模式：异常服务相关的代码
. F5 g. z/ k  x! o1 E: E( i线程模式：普通应用相关的代码
% B& Y/ ?) k. D' o+ o9 |3 w个人理解是如中断服务程序的代码与正常执行的代码。
( x5 K6 |' U, @$ r" ?  x  M4 q4 \
2.2 特权级别
分：a.特权级 b.用户级
! D9 Z1 K0 Z- v9 Q! ~* E" U! a* N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。
1 }4 I  O4 _- e( @2 r
7 s! a5 E: _# N# g: \. a7 T2.3 联系
2 F9 ]% N# J9 ~9 Q* |$ P# c$ |' s: N& `

6 d( J* H! e! t9 d, S" _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。
9 ]) {* m7 V  E+ U: J( Y' l- X

; l7 R% ~2 N- h# ?
8 ?' y( M: ~" }- E% u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。

' a' K$ V% R! e3 o. F: y3. MPU
Memory Protect Uint-----内存保护单元

' k6 w3 N: _2 r2 `) S0 X3.1 作用
参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

) ^- n5 }( c* P8 P- _: Y0 |- Y

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。

) ]9 y' C' G0 \1 a7 F. Y3.2 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。
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
4 u4 O& ]9 X! M7 |0 n7 _

5 i; k( g! o! q$ X
背景区
' n! P' u+ [/ m3 b" y" N+ O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。

+ W9 {1 g' Y' x) N, N1 G3.3 MPU寄存器
( i( j# g3 A0 ~0 [- n" eM3权威指南中的MPU寄存器

! `# m1 L7 v8 V& ?

/ H3 m: Q9 S% t" P$ ?5 R
( l4 P; X% W2 D* w) V$ P3 T$ @7 }原子教程中的寄存器
; ^! i, y4 A; J8 s# V
) B: W' ~" s+ U( n8 l% w1 F& ]2 L8 K. t

M7 MPU手册
; N7 `5 p# L, @0 L4 I* @. _

; L( y& H3 w: PMDK工程中MPU控制器的寄存器
( {- S& B; d9 V4 [# e  Y

7 K4 z3 `5 M8 w; b
其中

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   ' ^( }( Y! x( ^
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   
4. #endif
   
5. 
   
6. 
   
7. #define SCS_BASE            (0xE000E000UL)                            /*!< System Control Space Base Address */

复制代码

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。

' k9 d- w  x* Z: eMPU 控制寄存器（CTRL）

3 ?# Y1 K4 N! }/ L仅三个位有效
PRIVDEFENA：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
1 e1 P/ p1 ~0 Y  e! M- i$ [
编号寄存器（RNR）

. A4 u# A6 x: W8 y7 G8 P- ?2 V/ T8 b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。
+ f- N% Z) I- ^! Q
" e6 x. J8 ~" F$ \0 Z# G& v' oMPU 基地址寄存器（RBAR）

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 W( O; t+ z% F( V; TADDR：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
# Y6 a9 K  y, g' ]' ~' Z1 [* Z
MPU 区域属性和容量寄存器（RASR）
6 j6 q; a* G. O4 h$ W8 r1 O: j- \$ \
! V, q9 \* |, _/ y9 d

& ^+ ~7 s0 L/ f5 h% E5 A! `' nXN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
AP：基本是6种形式。

8 L0 `7 r1 L  O% y; E& q
! j' a: M5 j! |! q# o9 V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
+ S1 v+ \6 m) X& x- k" F0 ?& t
* I- I) w" D( \; g+ D' B! {

( ]6 p$ h( z5 _+ {6 h3 j# O9 I  m

# ?& {; _: s) ~/ v其中：
0 K3 b9 M! m6 Q2 T; f( x, ?) p强序-------------按照程序一条指令一条指令顺序执行。
) a0 z' d$ M- q' ^0 R" L# d' N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。
9 D& [; G" u, S0 I6 B6 E6 e5 `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。
, d3 v% N/ P; w) E/ k7 u缓存-----------CACHE，有命中和MISS，可能造成数据不一致，但是效率较快。
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。
写通-----------CPU更新数据时，CACHE和主存都更新。
( x- o/ t7 f+ R$ R
注意
M3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。
9 x- N5 o& ~7 f2 \. G

" J  B7 ?5 f8 e1 a5 a4 p7 _5 o
/ {+ d0 t/ ]+ z: ^& b$ z* v3.3 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
$ l& t4 ?  @( A3 E

1. /**************************
   : C1 Q1 l9 D/ z4 t+ |
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   
3.         功能：MPU初始化
   
4.         参数：无
   6 c6 u: T6 n: ]
5.         返回值：无
   * |7 O- ?+ n1 q7 \
6. ***************************
   # x; {3 r0 r" ^5 W+ D! J+ A
7. */
   / a; _' [/ t' Z$ q5 E; X
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   
9. {
   & M2 K2 I+ @$ w7 k
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    # E% G4 w6 N6 t: u4 Y& L
14.                 //MPU->CTRL &= ~(1<<2);                        // 背景区
    + S4 N- H* _: F
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
    6 Q. f' E6 q: l9 s/ f4 M
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    & L8 U* F8 V) a# b
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    & T* Z' s! |. L% l; ~
21.                 MPU->RBAR|=0X20002000;                // 地址0x20020000
    
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
    . M" I7 C- b# B
24.                 rasr &= ~(0X7<<24);        // AP：101只读
    
25.                 rasr |= (5<<24);
    # ~% L( D  q& R# \9 ?7 i
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);
    : s4 a$ ~; |, b
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    8 D) E9 z2 [# r+ \
29.                 //rasr |= (1<<16);
    / k, M% v) x  q+ \/ V: P$ g
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    ! V0 O7 J& A8 g
32.                 rasr |= (6<<1);
    % W: w$ q3 J. Z9 X+ Z) ?
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    # p6 u0 V0 I" e9 A( s. T% }
34.                 MPU->RASR = rasr;
    3 H  P7 C& F1 X3 o2 l
35.                 // 使能MPU
    ! y) m  _6 t# b2 ?3 W
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    3 k) L/ E- l: a9 ^
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    
38. }

复制代码

测试，写入一个值，即进入MEM中断

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   & x7 v* y+ d3 `- Y: G2 o: d4 `
2. void MPU_Test(void)
   ; j7 m3 R9 F0 |
3. {
   : j, Q/ Y& @2 |2 B! `" |8 q% V
4.                 u8 key = 0;
   , t* p8 D5 [, L* a3 I4 X
5.                 key = KEY_Scan(1);
   " Q  @+ {  `! z6 D% [  Q
6.                 if (key!=0)
   $ E5 A5 u6 ^$ o: \
7.                 {
   
8.                                 mpu_test = 20;
   - I. E& V& ?" e; z/ }; j
9.                 }
   0 B/ ^, q$ C. ?8 L6 c" Y0 w: ~2 a
10. }
    

复制代码

+ C$ X" J; J- M( C0 v
  p5 j) i1 s) N' u) D* t