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。
参考：
STM32F7中文参考手册.pdf
STM32F7编程手册.pdf
, H% U9 |1 d; C- U0 pSTM32 MPU说明.pdf
2 R: U6 P& [1 f- Y3 r& S" i0 ~Cortex 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
: G' |; B6 t; n0 N; y
2.1操作模式
: Y& e* f- h, b5 UHandler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。

2.2 特权级别
分：a.特权级 b.用户级
' G0 r3 l$ W* Q# H) S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。
' Z& B- \% x6 b' D0 X  ^5 C
  m/ k  k/ m# j- R/ \2.3 联系
  T4 M$ A3 z, J* \) w3 x0 F

  g5 d+ ?+ {' [
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。
1 V, z6 x$ c- y) O

2 v. L8 k+ D2 I. e0 Q7 e, f
  q3 X+ V( `9 K) l4 d" x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。
* o6 J  C) A( o+ g  v6 X1 a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。
1 C0 D2 p! v" q% X: i
. ^; ?! y: z/ Z; \+ w9 U1 T3. MPU
Memory Protect Uint-----内存保护单元

3.1 作用
2 B$ ]. M3 K& L参考了以上的PDF，大致说了以下的作用。

8 d& s/ W5 C' E  d
/ W; F2 Z2 I, s. H& |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。
2 k% U- L* Z  W, I
+ y2 G" C, Q0 R  \, H3.2 REGION（区）
0 @: v, Z. U+ w* g+ B6 m3 q1 V9 iSTM32F7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

- x; d5 N2 j! Q) g3 R5 x
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。
. F6 W+ K7 k* n+ ~- \
$ P" ^: d% W, K9 T3.3 MPU寄存器
M3权威指南中的MPU寄存器

' T8 ]0 y( p! i6 e5 z* w# d5 g# q

5 h/ x* r" h1 {% d
1 t  B0 ~  s  \) |原子教程中的寄存器

M7 MPU手册
$ B2 [+ I3 g* V/ {

MDK工程中MPU控制器的寄存器
0 d/ W3 M# w" h0 E2 e/ n, J% u
# \! B, z7 J2 E

- g0 y9 ~$ f9 Y) K8 T7 w' S/ R
. f0 Y! M) [+ I' q+ R其中
# y$ ?- y$ h# J+ p' z

1. #if (__MPU_PRESENT == 1U)
   
2.   #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
   . a( V# H* D4 j* t# ^3 P4 O; x
3.   #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
   
4. #endif
   7 N8 [0 l  v/ k+ R6 n$ ?( X
5. 
   
6. 
   4 s- \0 T! U- \0 G- C7 F1 N
7. #define SCS_BASE            (0xE000E000UL)                            /*!< System Control Space Base Address */

复制代码

& c( F: G! t! W( @+ Y7 Q! A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。
% U9 k5 A. r! T) @0 o3 h% E5 }
MPU 控制寄存器（CTRL）
3 f$ p4 M7 U& Q# z  F" g

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 r. E% z' r9 N3 i1 L编号寄存器（RNR）

. D9 W( G- C. l4 N) s: e

4 \  T* `0 I% 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）
/ h+ ]% o& M4 Y
% }7 K$ ^- _0 e( M

, A1 {7 f- G: H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。
/ [& R" t, f* q3 ^9 P; _
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

& |! M+ \# [6 _6 Q. [1 P( dMPU 区域属性和容量寄存器（RASR）

7 P, X) m, F, D% K" K

* t; [- L+ H- f% YXN:设置的REGION区管理范围是否允许取指
AP：基本是6种形式。
: _' _' C. T2 _, i* V! }( n
- E  j; C1 j) p5 ?8 Y5 l* `5 d

+ m" W+ E# v! S% a! y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。
2 l9 A- w* }6 h8 e0 ATXE,C,B,S
* n, K. e" {- T7 L& O5 s3 a

; i- j5 N/ _  Q- j1 v( \4 M( V
其中：
) o& G) o3 B6 @6 d' Z8 c# c! ~2 Y6 g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。
, H* w4 [7 R4 d% E; Y! p6 J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。
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。
. O. \. }$ k  O# k- v/ V写通-----------CPU更新数据时，CACHE和主存都更新。

: @1 n% r. Y2 n6 R, F& _注意
M3权威指南中，P195，需要SHCSR使能MEM中断。
- F' \" V  f/ L% R6 I+ @

3.3 相关代码
0 l/ A5 b- h7 x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
   & A  R$ H# z1 V1 G/ D- e5 A, r
3.         功能：MPU初始化
   & T9 J4 Y% A5 ^% D9 q
4.         参数：无
   $ S; ?" m9 f! O$ c4 `3 O0 d
5.         返回值：无
   5 s2 F) ?( E" p' \
6. ***************************
   
7. */
   
8. void STM32F7_MPU_INIT(void)
   
9. {
   8 \5 T7 Q; o" [1 Z; M4 p
10.                 u8 i = 0;
    
11.                 u32 rasr = 0;
    
12.                
    
13.                 STM32F7_MPU_DISABLE();                // 关闭MPU        
    
14.                 //MPU->CTRL &= ~(1<<2);                        // 背景区
    
15.                 MPU->CTRL |= (1<<2);                        // 背景区
    : {5 T# f% c  R: s( {
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
    & h6 y) P- ~2 i' M/ V5 A
18.                 MPU->RNR |= ((0)&(0X7));        // 使用1区
    1 P. S' Y, v6 Q9 }# w* g
19.                 MPU->RASR=0;                                                        // RASR清0
    $ Y$ V8 \6 S( S- n) v
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
    
23.                 //rasr |= (1<<28);                        // XN : 1禁止取指  0允许取指
    & _4 b9 N4 N8 e7 |1 A8 z  Y
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);
    & w# G" c, [. Y5 l$ n6 Z
28.                 rasr &= ~(7<<16);
    
29.                 //rasr |= (1<<16);
    : d5 T( X' `" ^% [1 s
30.                 rasr &= ~(8<<8);                        // 不使用子区域
    
31.                 rasr &= ~(0X1F<<1);        // 64K = 2^(15+1)
    
32.                 rasr |= (6<<1);
    : Y3 l+ s, U1 M1 O/ X5 [! u
33.                 rasr|= (1<<0);                        // 使能该区
    
34.                 MPU->RASR = rasr;
    8 y8 c* Z! {7 P. n( `
35.                 // 使能MPU
    
36.                 SCB->SHCSR|=1<<16;                //使能MemManage
    % `  b# A2 p! x3 Z
37.                 MPU->CTRL |= (1<<0);
    
38. }

复制代码

" s2 ~6 V+ S" d. R! E. B测试，写入一个值，即进入MEM中断
' K1 j$ W. Y% N" \
$ H% E: R' L2 D3 P% @3 I* P

1. u32 mpu_test __attribute__((at(0X20002000)));
   
2. void MPU_Test(void)
   
3. {
   
4.                 u8 key = 0;
   
5.                 key = KEY_Scan(1);
   0 ?: U- o4 S% T+ L
6.                 if (key!=0)
   
7.                 {
   + Q5 K& T- e, ~+ {8 a9 b
8.                                 mpu_test = 20;
   - Z5 R) @6 {$ e5 K7 G! R
9.                 }
   2 F- g" u4 u# f
10. }
    

复制代码

! G2 V" t" H# f3 w# b6 |0 L