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。
: E8 v0 f' s7 q: H参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
STM32F7编程手册.pdf
4 R& R6 |8 r; I4 W+ lSTM32 MPU说明.pdf
! \& V3 ^' g5 A% NCortex M3权威指南(中文).pdf
STM32F7开发指南-寄存器版本_V1.0.pdf

2. 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
6 u) U- G/ Q6 t! oHandler模式：异常服务相关的代码
$ t. ?  M4 D- g, d4 k, p' Q' c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。

0 t, p( b8 N8 _$ f" [2.2 特权级别
* t' b: j6 |; L/ ]  J% Y分：a.特权级 b.用户级
3 Q3 d6 s1 L( n9 u$ s- f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。

3 N4 Z$ U; q: D: ~* @! E- R4 _9 s2.3 联系
& X# e0 G; f6 j* O& ]$ ?

" U# ^) P+ w* P6 O: p) j& T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。

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。
# b! q: T3 t  @3 o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 R! ^" }) E1 U5 d$ J8 b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。

3. MPU
/ z6 O( I- C$ K7 ]Memory Protect Uint-----内存保护单元

3.1 作用
" y* }* M( X3 [9 p. z参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

( X) @$ S/ i6 `2 I) k1 @

! o. n4 g/ S5 f# a
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 I- S) v% D) V, {6 x
3.2 REGION（区）
" f( R) z9 ]; oSTM32F7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
% |9 c0 k0 O5 c. g

+ L- N0 z' v3 r' T  A$ j背景区
9 W" y, A) C' j0 v- x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 Q4 j# z3 M  k
) _  I. w2 `$ e3.3 MPU寄存器
M3权威指南中的MPU寄存器

" m0 O1 D( _: F* e2 A/ s
原子教程中的寄存器

M7 MPU手册
' w! ]' F; r. N3 \  Z
4 J* D: w/ g0 b/ W. p( H

MDK工程中MPU控制器的寄存器
! Y1 i+ O* o: x' Y/ N) Q
! z1 K9 k9 ?0 p% q

- C8 _, r7 e/ i; v) F9 ~
# P2 Z' l. s' u# {* W其中

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   3 H' w+ x: o5 b7 i* x; |
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   6 u/ I9 ~( Z/ w3 O6 @. T  e
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   ( d" K' q6 \! e$ v9 W: p7 t
4. #endif
   ( i* c5 p. {% M. U3 Q
5. 
   " s6 R; C& U+ ~- c4 N# D, M* |
6. 
   4 I6 @# O# n' h& h: b! H7 ~
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。
) H3 \3 P; K' w3 d
MPU 控制寄存器（CTRL）
5 H; a# r6 q5 X+ w2 `0 K

- [0 y/ P- {7 V; Y/ B5 c! A, z1 L仅三个位有效
4 L! C4 }- z4 Q( C. J4 f% A$ }5 yPRIVDEFENA：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

编号寄存器（RNR）
# a. U; r1 `* [
) I1 m) R, ~) B$ y( Q/ X+ c

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。

5 ~- A/ o. }: z! EMPU 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。

0 m; u8 T6 \7 d: ^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
" O+ a& v2 K! i& V' V
) L/ T" A1 ~6 t4 F0 R' p# A2 xMPU 区域属性和容量寄存器（RASR）

$ L1 ?, x4 ^, ^( H% l: g, V9 A

XN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
  \( [5 ?4 u. q' @% SAP：基本是6种形式。
; m" C, F) ~; p
, M4 V! {0 p9 I! W( F# X

! H! I. {! {8 B: }& M8 c+ }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
6 k2 g, s/ v- ]) Q& x- M

( M6 S9 V4 H$ x, d! \% U

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。
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。
; H9 ^1 x! j9 i+ v4 b8 _缓存-----------CACHE，有命中和MISS，可能造成数据不一致，但是效率较快。
2 t+ E4 g" K% l3 l# r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。
7 N0 `. \$ o3 |7 [写通-----------CPU更新数据时，CACHE和主存都更新。
: e3 _8 b/ T7 `' l
  L! h+ u* H- W* [注意
M3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。
% T, T" e, z- @9 L8 l
1 T9 e! V* ~2 X6 u

/ r* t& o0 }$ O! ?4 Y" _' g+ J3.3 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

1. /**************************
   
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   5 {& M! Y# f: n" ]% V* Z* {' \
3.         功能：MPU初始化
   
4.         参数：无
   - Q" e9 k/ `' A9 ~4 k5 ]
5.         返回值：无
   
6. ***************************
   / h- Y) E$ G" l# L; O# y; _
7. */
   8 d+ s' f0 Y$ t; o3 t& n% W* w
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
     C  u- D/ G# _2 p9 R
9. {
   . f1 p, z( S4 G8 f
10.                 u8 i = 0;
    5 V8 _. f! H6 f9 K
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    
14.                 //MPU->CTRL &= ~(1<<2);                        // 背景区
    6 ?% S: `, c# a  ~4 `; k5 g
15.                 MPU->CTRL |= (1<<2);                        // 背景区
    
16.                 MPU->CTRL &= ~(1<<1);                        // 不强制除能MPU
    7 ~# G+ A$ S. G1 h! j( R
17.                 MPU->RNR &= ~(0X7<<0);                // 配置哪个区，只有低3位有效
    6 ~, }  m. I8 e" `& t" Y4 ]8 d0 V( K: Q
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    3 L/ f' @: t; H
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    
21.                 MPU->RBAR|=0X20002000;                // 地址0x20020000
    
22.                 rasr &= ~(1<<28);                        // XN : 1禁止取指  0允许取指
    & D$ I* `* s& j, [
23.                 //rasr |= (1<<28);                        // XN : 1禁止取指  0允许取指
    
24.                 rasr &= ~(0X7<<24);        // AP：101只读
    ; G/ {! W9 [" }; l2 e. _3 R0 T
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
    ( F# m0 D3 ]# z6 H+ s/ r& ^0 e  G: W
27.                 //rasr |= (1<<19);
    
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    
29.                 //rasr |= (1<<16);
    0 A* J1 R0 N4 v: I* e
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    * e/ h& c+ q" E5 n+ H4 K1 t
32.                 rasr |= (6<<1);
      c% }2 _& M- r+ ~
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    2 _! c- ]. e0 |7 @. p+ @9 J& ?
35.                 // 使能MPU
    
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    
38. }

复制代码

; l( r' E$ y) l; V测试，写入一个值，即进入MEM中断

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   
2. void MPU_Test(void)
   
3. {
   
4.                 u8 key = 0;
   
5.                 key = KEY_Scan(1);
   5 _! ^1 i. ~" N2 |+ X) [( L
6.                 if (key!=0)
   / e9 _; s) k% a0 t- i; A9 l
7.                 {
   
8.                                 mpu_test = 20;
   
9.                 }
   $ x0 f5 ~' w$ U8 ]# H
10. }
    3 @) t9 k& j8 E

复制代码

5 i+ S% t1 s5 i" e6 R
0 v2 |/ l$ A  L1 ~; p0 x
9 I: W4 \  m& r4 d+ b  e5 ]