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。
! D2 A0 i. j3 P4 O9 d$ K6 M参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
' c8 U8 d3 B& z, lSTM32F7编程手册.pdf
2 l; d9 x7 z( p" B! q1 mSTM32 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

% I) W4 D" y% L. m; N# u6 L6 Y2. 操作模式和特权级别
详情------Cortex M3权威指南(中文).pdf-----chpt02

* F- P- g' ~' u. z# v0 u2.1操作模式
" o# x- V0 g1 t- \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
个人理解是如中断服务程序的代码与正常执行的代码。
1 ]/ v% T, s2 n  N
2.2 特权级别
分：a.特权级 b.用户级
+ E1 |+ k2 b; ~  b5 ~* n- @* J0 G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。

2.3 联系

* L7 E, @8 A( f/ F
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。

! u4 Y$ T1 O( _3 I! C

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。
% h* W  Q2 l8 X$ \# J- x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。
- L/ }3 V  D2 w( J
3. MPU
Memory Protect Uint-----内存保护单元

+ @: C* U2 l7 x3.1 作用
# y1 h3 |9 ~0 b" o参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

1 [7 g2 k& J8 f% N7 Z1 A
2 U# P% C+ V* 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。

+ ~5 H2 v9 o; _3 o: Y' |0 T+ {' L3.2 REGION（区）
' F4 b+ [4 A. Y8 eSTM32F7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
  F2 h1 J0 n9 `' z+ T9 L% m

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
. ^* n2 E. T' S5 |) l9 jM3权威指南中的MPU寄存器
9 s1 E& T- m8 w0 @% D
' x8 r4 d0 X5 i" u

9 a6 I  P; r- b  o3 G0 n/ z
原子教程中的寄存器
7 g% ], H2 a% b4 P" g' T5 e5 p- ?
* t2 D3 P  a# |7 `' Y9 h+ C

6 H8 b: J5 p- w4 Y. Z
M7 MPU手册
+ L7 C9 c' T# a* I9 m
/ M' p7 |* E( Q0 y

8 T* ^  i9 B, i& `% w+ WMDK工程中MPU控制器的寄存器
* ?: o2 K) ]( h6 x+ G
  u' A$ J8 ?: H7 `( _# u  k9 T# V  S$ l

! E: C7 o: |. O. r
其中

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
     C: {* c1 z2 S4 `( @
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   4 N% ?" P# P2 v7 M# {6 S7 u
4. #endif
   
5. 
   + ]( \2 H( R6 n2 s) [
6. 
   
7. #define SCS_BASE            (0xE000E000UL)                            /*!< System Control Space Base Address */

复制代码

: k2 I, k8 l4 S0 D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。
/ {. i9 I, u5 O4 M) h/ A
MPU 控制寄存器（CTRL）
6 v, O2 E% C" k. J
* o# ?9 Z+ u) H  d; D

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。
  ~1 y, M+ C+ t/ o# |' M; pHFNMIENA：用于在NM1或者FAULT中断关闭MPU
ENABLE:使能
- }- ^2 {; U, J4 f$ o3 b1 S' D( b
7 T7 |5 w: i3 |9 q3 M1 Z1 X$ h4 d编号寄存器（RNR）

$ s5 t* L3 D/ g" p

' ~( }1 s) r$ g: ~$ i1 [, f; }
4 [2 i' X" q* s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。
! U' h: {" Z8 [
$ p& m; [* H- r/ e/ J# K+ qMPU 基地址寄存器（RBAR）

* `) A) W; r% p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。

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
8 ~: s7 ^; w0 l. Y' A: P4 O; R
9 n) l8 w2 U+ |& ?1 MMPU 区域属性和容量寄存器（RASR）
+ ^4 M2 b4 x$ t6 @" g8 [

4 V1 g. _8 p1 E5 Z1 Q8 M9 k
XN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
AP：基本是6种形式。

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。
1 V# ]0 M2 E% A4 d2 q) x( f) c; `! eTXE,C,B,S
' Z( X/ \5 u6 O; b! E" B
7 ?1 ?- y  v/ O# H( m

2 F! s/ b1 o' o( C
3 f1 r9 \. E: p0 _) T$ J. w

1 e+ z' g+ N# U: S% ~4 O: h( T, n
其中：
. z8 k. v4 U9 [, l6 o强序-------------按照程序一条指令一条指令顺序执行。
% v8 |7 N; l7 t' S' t2 C0 ^9 V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。
, ~& ]& l2 P, |" r  p' Y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。
' K- V& S) {$ o$ L) ]" q' O* l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。
1 Y! X: B; M, C( o1 U
. Z/ j* F9 K/ t( W3 G注意
M3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。

8 ?: }) Y9 q1 @

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

% }8 b. z! F; Y/ z1 W8 E9 y9 w

1. /**************************
   
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   " V, l+ J+ W& ~& W+ g
3.         功能：MPU初始化
   9 s" }- O4 [# }0 b9 E1 n6 `! A
4.         参数：无
   & V! S$ ^& V- D& B
5.         返回值：无
   8 s8 |3 @2 l* ~
6. ***************************
   ( r$ l% B3 z; {; J7 v; g' h
7. */
   ' E" p4 A4 a# G" ^$ ?
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   5 r$ X% b9 g0 z. M! b( c% C
9. {
   3 l* A& H& U3 U% G
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    . {. x8 F- t. E( ]- M% C) m
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
    + y) l; m1 [# E, j' j. A6 `
17.                 MPU->RNR &= ~(0X7<<0);                // 配置哪个区，只有低3位有效
    1 I" E* {3 w1 J: h( N
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    ; B$ t0 k' E# \$ ?, m8 H% f
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    $ K. z% S# Q' h% W
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
    % P2 }! t! g2 A. A, g
24.                 rasr &= ~(0X7<<24);        // AP：101只读
    9 u+ b* H$ x; u$ p5 ]
25.                 rasr |= (5<<24);
    - P( P* g- }7 |
26.                 rasr &= ~(0X7<<19);        // TEX：001  C:0 B:0  S:0  片内外不可缓存型内存
    * _6 K. N. O- _
27.                 //rasr |= (1<<19);
    
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    
29.                 //rasr |= (1<<16);
    
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    " s2 C, [2 `5 \, o+ W
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    
32.                 rasr |= (6<<1);
    ! [( G& c. S2 S0 s) H. \( m
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    
35.                 // 使能MPU
    
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    2 n5 R2 i6 E1 d" P. }. n& e
38. }

复制代码

& k6 b: E' |6 M& D% ^( x测试，写入一个值，即进入MEM中断
: ?, V! `1 o" t9 Z  L. \0 r
7 h- i$ m; V% `. i" @

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   
2. void MPU_Test(void)
   
3. {
   ; i, S/ |9 D5 W
4.                 u8 key = 0;
   
5.                 key = KEY_Scan(1);
   % Z. p* ~% x4 X2 g3 @
6.                 if (key!=0)
   
7.                 {
   
8.                                 mpu_test = 20;
   3 E% H! w) N& J3 D' ~
9.                 }
   / f. ?. m6 R( N* {, G& G- |2 _
10. }
    2 I9 f! C  G/ B% q6 z# M

复制代码

+ W  _) k$ h9 {( M, \