MPU(内存保护单元)
1 \& N) d* Y- \7 I# y1. 前言
) A. X6 I# R: v  f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。
参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
( W/ N3 n* P: t( m5 O7 {) SSTM32F7编程手册.pdf
+ x; o' l7 I! L" {4 i1 g% O, CSTM32 MPU说明.pdf
5 n: A, ^& e1 A5 G5 w9 _6 \Cortex M3权威指南(中文).pdf
STM32F7开发指南-寄存器版本_V1.0.pdf
6 C9 N7 L: T$ g1 [: G* |9 N
1 A" s6 {5 p3 e$ `, p2. 操作模式和特权级别
详情------Cortex M3权威指南(中文).pdf-----chpt02

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
9 Q: G4 J8 J4 |个人理解是如中断服务程序的代码与正常执行的代码。
# _2 L1 s0 E* I, o5 e: R
2.2 特权级别
% X9 l& t1 |4 [5 q! g8 V* e分：a.特权级 b.用户级
% T; B. C" C9 d# t$ z- Y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。
* R+ ^1 I5 v, M5 R! x- x
2.3 联系

( o: e* ^# @% r$ a: V( l, ^
7 R9 U8 E2 f( v, T, J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。
2 n6 H3 N2 `( r5 ?# M
  E7 f; o( t+ f

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。
: E4 P6 l2 |. S! J3 T* |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。
2 z4 s& Y# h7 x0 B9 k4 u9 p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。
6 a2 I; o: ?5 J# o  W: k  ^4 M
3. MPU
Memory Protect Uint-----内存保护单元

3.1 作用
, B$ w. [/ C/ L5 v4 v1 q参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

# A$ F, S6 l2 z' p. g5 B4 i- g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。

3.2 REGION（区）
: g" X/ k4 {5 {9 ?6 hSTM32F7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
  m8 ]6 }1 \6 ], L! M6 M
) ]& T$ n$ V" A; l0 L( L8 ]

3 a' u0 H5 M1 W7 v; r4 p/ p. g5 S3 z背景区
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
M3权威指南中的MPU寄存器

- F/ v& m; v, t. N& s; u

, ~7 I# X- }( _; d9 @3 X
原子教程中的寄存器
+ d! c, j$ R! {# `% V

M7 MPU手册
! L! m. e6 y# e/ A

! p9 h* l  {( }/ ~$ F0 A  P7 ^
MDK工程中MPU控制器的寄存器

, s8 P  N2 p9 B$ l
# v) ]/ f# c8 Y' x" R& I# a其中

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   4 I" m. {0 F# b" h9 Y2 s
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   & M! {, H7 l$ Z$ H( H0 V
4. #endif
   
5. 
   + J/ p' c0 M/ I" @9 D- O) m
6. 
   
7. #define SCS_BASE            (0xE000E000UL)                            /*!< System Control Space Base Address */

复制代码

# K% ]( s. Y7 K. ]  |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。
1 `% O4 H; g7 u& V5 N5 o$ @
MPU 控制寄存器（CTRL）

9 }2 ^& l( `: J0 F4 i) K; n

# A* K! H/ e0 A% R1 P. _
仅三个位有效
, o6 A3 l, A% H) ?4 v) t7 [6 t, }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。
$ ~7 M: I' |: VHFNMIENA：用于在NM1或者FAULT中断关闭MPU
. w7 w: t3 J2 j3 U0 [& r; j. rENABLE:使能

9 O( ]* Z: K8 E& e4 q. ^% N, ^' H编号寄存器（RNR）
8 l' Z* d" f6 J  ~* w2 H% m% Y
' ?8 r7 h' H8 E: T. w

1 J( i  N- j6 w+ N2 a
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。
4 A5 N, S* B  O( W
MPU 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。
1 H; {2 t4 ?. T$ d! {
0 i! W9 S* X0 N4 b# D" AADDR：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）
! l) }" ?5 H9 ?8 @

- X9 o9 X( n9 r6 p; B
XN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
* u" Y$ _- }" I7 YAP：基本是6种形式。

% w) G1 X/ f/ C# N2 Y

$ C8 q- Y/ P9 d, Z7 d) r/ r
# Q( w, {' K/ ]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

" p: ?9 n5 ]. m" k3 ^

! x9 `6 e% _, F4 x6 Q- d6 L

2 n" u' f1 o8 }0 H/ i& y
" P% O- W8 o$ j+ E; {" N, z7 `其中：
强序-------------按照程序一条指令一条指令顺序执行。
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。
, r4 X! P$ E4 K1 c, ]  f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。
5 A2 [! B0 [; i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。
, H% }3 k" [/ g, N# E; [) O
0 V) n- B0 |/ q) Q- @# M注意
6 k, y# y) R; f+ S6 qM3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。
% i) P% P* s' |+ T* ?# F0 K

3.3 相关代码
6 X0 Z$ O- b* {, k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
+ i" r' }9 t! G( T8 q

1. /**************************
   
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   : Y6 l! c" N8 |( L  ]. ]5 J
3.         功能：MPU初始化
   
4.         参数：无
   ' J3 P" ~, F& k' n$ p6 J' K
5.         返回值：无
   ( {& k7 F; r0 a7 c" }
6. ***************************
   # C. K+ u) b5 s" D" b- |- R
7. */
   % v* u" f" C+ G1 i' f
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   
9. {
   8 E( ^; f3 l! c; i
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    ' J+ g3 C, W& n, S( H+ c
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    ! S  o2 e# f# Z7 S8 o, U
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
    
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    
21.                 MPU->RBAR|=0X20002000;                // 地址0x20020000
    6 |  Z( n# }' |% }& v) a  v
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
    
24.                 rasr &= ~(0X7<<24);        // AP：101只读
    
25.                 rasr |= (5<<24);
    
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);
    
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    
29.                 //rasr |= (1<<16);
    
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    7 B8 [0 A% p3 k4 I" @4 _, i- {
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    , B1 R, D  B* W; j
32.                 rasr |= (6<<1);
    
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    1 S8 W2 a! B: h3 t) ^  Z
35.                 // 使能MPU
    8 Z4 w4 V- K! T
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    9 I, ~0 t6 O9 x$ T' q4 t
38. }

复制代码

2 f4 x* W& w% X; _8 r测试，写入一个值，即进入MEM中断
; D& C, q5 G! v% T( q

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   
2. void MPU_Test(void)
   - @4 l" Q. o# @  O0 V7 d% i
3. {
   
4.                 u8 key = 0;
   
5.                 key = KEY_Scan(1);
   * P! d& Z% J2 R* W
6.                 if (key!=0)
   
7.                 {
   
8.                                 mpu_test = 20;
   8 ]" ]: v" w% H; G9 Q. c
9.                 }
   ! Y+ l" g2 K# D7 B
10. }
    / Y, D! Y6 y. z

复制代码

6 Q# t3 g5 o3 ^1 ^8 S' C