MPU(内存保护单元)
: T  E# F; R4 t+ V8 b# b* L1. 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。
参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
1 a, b+ U) u8 \+ Z& [STM32F7编程手册.pdf
# f- A' H6 ?/ d- }" c: FSTM32 MPU说明.pdf
. R( ~1 G6 I  E& b) |Cortex M3权威指南(中文).pdf
5 o8 g0 p6 n% y$ Z: hSTM32F7开发指南-寄存器版本_V1.0.pdf

2. 操作模式和特权级别
& j9 Q' c& k0 E: [% R* Q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
! K  ~4 e$ |8 i' T个人理解是如中断服务程序的代码与正常执行的代码。

0 m0 W5 L$ {. H2 e: N" r0 f2.2 特权级别
1 e  }8 {& X5 N# a3 a6 k" p分：a.特权级 b.用户级
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。
, h. u, D/ z: Q" v  K: }
8 ]+ G$ t% G( M" }8 s2.3 联系
% }! d, A" c0 u& C  P3 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。

3 k& b. {& T. g- z

' n3 b& k' H( ~9 `% Z& S0 p
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。
6 }6 z, V( F8 a3 a" U+ `' m0 t8 a6 n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
Memory Protect Uint-----内存保护单元

3.1 作用
参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。
$ o4 o. l% V: n& e- l, ]. O

: O# g! B* `1 h# j% d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）
. a- s" L+ k7 g2 y! Q0 M' N0 xSTM32F7支持8个区，也就是说，MPU控制器通过8个区来管理存储器。
' _! i( r- ^4 l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
& Y  C7 w( j9 Q& W6 S. q# |9 y+ v

背景区
/ \6 h: n1 U8 ^- l! |# e% l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
- q2 v5 \8 e0 L/ x% F6 OM3权威指南中的MPU寄存器

) {" i6 r  I7 R& g5 B8 L+ G
: [9 O: Z; A4 G) l. L原子教程中的寄存器

. w9 P3 y" C) b0 y7 @8 H( g: c' ^" @

$ H5 M: {. z5 t0 ]( g3 ZM7 MPU手册
' y1 _$ M$ b, |

! H1 h/ E% b2 c  `4 e- {MDK工程中MPU控制器的寄存器

6 H* ^8 C- ^9 z9 L) E
8 ?/ R9 h' A$ y" b  `! }4 \其中

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   6 N  k* L+ B5 s6 d: d6 J7 Q
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   * P, e# V. b# n
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   
4. #endif
   
5. 
   " ?+ K. a3 K" e
6. 
   + b: ^5 }  @4 ]9 n
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。

MPU 控制寄存器（CTRL）

( X/ M3 N0 Q6 T* R9 l/ f
仅三个位有效
" B/ y3 x3 V3 e. g2 A* gPRIVDEFENA：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。
, w: U% f  J4 e2 HHFNMIENA：用于在NM1或者FAULT中断关闭MPU
% ~& z# [3 P) k! X/ \" iENABLE:使能
  [0 M: r8 X' J* A: r+ y/ ?% ?
编号寄存器（RNR）

/ g$ e' Z  L* x& U5 u$ j. F

+ z' d. O7 n& Q5 P9 q/ ?0 E% J
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。

MPU 基地址寄存器（RBAR）
. |9 ^+ Q& k# d- t2 H
% W% z/ {, J4 g" m* Z

& |" `6 v  h) u; u/ B. l
% G8 Q$ N% M8 B' E; O* a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

MPU 区域属性和容量寄存器（RASR）

( U% o' Y9 u; x: [0 y; Y
7 H5 ]- Q+ I  j& t. q  eXN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
- Y3 q% i! k5 t6 W. ?AP：基本是6种形式。
8 n" L! C6 l+ {9 u; x1 G# ]$ ?1 s

8 Q: J( M) U* G: P  [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
, u& F: M0 B/ y5 U3 E8 T) N; O

5 v+ C2 h( d, U1 F* E

3 ^0 ^3 i2 a* T! z* H1 w
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。
& k) Y: ^) {% N9 c$ D7 s' T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。
$ {# G1 Y/ j6 \$ K( L8 k' E& [- m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。
6 V: Z: u- F" |
注意
' x0 b" H' l5 G% sM3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。

9 _) x3 P- o2 R

, u7 ?! n% t- w, h3.3 相关代码
- l% B/ B6 v% T& i$ o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

) J- q0 ~: O( t9 h# p

1. /**************************
   2 K+ K. [; i$ r% @0 P
2.         名称：STM32F7_MPU_INIT
   
3.         功能：MPU初始化
   
4.         参数：无
   
5.         返回值：无
   
6. ***************************
   
7. */
   / Q% x8 I4 U* ~  ^, D
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   
9. {
   
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    ' S; H, x# s: n7 v. p$ @, Y! E7 p# k
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
    ; L# w7 j6 i; w# ~' t6 M. C
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
    4 ?! {  G1 p% }. R/ _6 h8 ~  F; ?
20.                 MPU->RBAR&=~(0X1F);                                // 不认可region位
    
21.                 MPU->RBAR|=0X20002000;                // 地址0x20020000
    . m& q; u, ?6 D! I: p
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
    / S% V& D8 A: w
25.                 rasr |= (5<<24);
    2 w$ r7 K) J% ~# v
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);
    : Y$ F, Z0 p* V, W
29.                 //rasr |= (1<<16);
    
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    * H. E; @+ H1 l; h. x2 v
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    6 s( _; d  v# ]
32.                 rasr |= (6<<1);
    
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    , E  \; [3 I; V" @5 ~
35.                 // 使能MPU
    
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    
38. }

复制代码

$ M- x$ s3 P8 C* l1 C测试，写入一个值，即进入MEM中断

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   / U! U0 k8 h3 g: ~( W+ b
2. void MPU_Test(void)
   ; V5 h* x8 T; S6 X- G# p
3. {
   ' s% f9 F3 k* U1 H* ?2 j0 k" X
4.                 u8 key = 0;
   ) j0 b+ N: E2 `8 O: s
5.                 key = KEY_Scan(1);
   
6.                 if (key!=0)
   
7.                 {
   
8.                                 mpu_test = 20;
   3 S& k! T0 x! p. k2 |
9.                 }
   
10. }
    ! M) p" _6 _( W, m

复制代码

/ Q) f0 y! A( p4 l7 n8 A
& V# e6 v* B9 C) ^, _9 a
; q! G# e( p! k& p7 M7 X