STM32H7的MPU学习和应用示例
STM32H7的MPU学习记录
- 什么是MPU？
- MPU的三种内存类型
- 内存映射
- MPU保护区域以及优先级
- MPU的寄存器
- XN位
- AP位
- TEX、C、B、S位
- SRD 位
- SIZE 位
- CTRL 寄存器的各个位
- 示例
- 总结
什么是MPU？
MPU（Memory Protection Unit，内存保护单元），早在 STM32F1 和 F4 芯片上面也是有这个功能的，但是基本用不上。但是到了 H7 就得用上了，因为要设置 Cache。
MPU 可以将 memory map 内存映射区分为多个具有一定访问规则的区域，通过这些规则可以实现
如下功能：
◆ 防止不受信任的应用程序访问受保护的内存区域。
◆ 防止用户应用程序破坏操作系统使用的数据。
◆ 通过阻止任务访问其它任务的数据区。
◆ 允许将内存区域定义为只读，以便保护重要数据。
◆ 检测意外的内存访问。
简单的说就是内存保护、外设保护和代码访问保护。
MPU的三种内存类型
MPU 可以配置的三种内存类型如下：
◆ Normal memory
CPU 以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，对于这种内存区，CPU 的加载或存储不一定要按照程序列出的顺序执行。
◆ Device memory
对于这种类型的内存区，加载和存储要严格按照次序进行，这样是为了确保寄存器按照正确顺序设置。
◆ Strongly ordered memory
程序完全按照代码顺序执行，CPU 需要等待当前的加载/存储指令执行完毕后才执行下一条指令。这样会导致性能下降。
内存映射
内存映射就是 32 位的 CM7 内核整体可以寻址的 0 到 2^32 -1 共计 4GB 的寻址空间。通过这些地址可以访问 RAM、Flash、外设等。下面是内存映射的轮廓图，IC 厂家使用时，再做细分，添加相应的硬件功能。
MPU保护区域以及优先级
MPU 可以配置保护 16 个内存区域（这 16 个内存域是独立配置的），每个区域最小要求 256 字节，每个区域还可以配置为 8 个子区域。由于子区域一般都相同大小，这样每个子区域的大小就是 32 字节，正好跟 Cache 的 Cache Line 大小一样。
MPU 可以配置的 16 个内存区的序号范围是 0 到 15，还有默认区 default region，也叫作背景区，序号-1。由于这些内存区可以嵌套和重叠，所以这些区域在嵌套或者重叠的时候有个优先级的问题。序号15 的优先级最高，以此递减，序号-1，即背景区的优先级最低。这些优先级是固定的
下面通过一个具体的实例帮助大家理解。如下所示共有 7 个区，背景区和序号 0-5 的区。内存区 4 跟内存区 0 和 1 有重叠部分，那么重叠部分将按照内存区 4 的配置规则执行；内存区 5 被完全包含在内存区3 里面，那么这部分内存区将按照内存区 5 的配置规则执行。
MPU的寄存器
这里重点讲解寄存器MPU_RASR 和控制寄存器，此寄存器的定义如下：
XN位
XN=0 表示使能指令提取，即这块内存区可以执行程序代码，XN=1 表示禁止指令提取，即这块内存
区禁止执行程序代码。
对应的 HAL 库 MPU 参数如下：
#define MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE ((uint8_t)0x00)
#define MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE ((uint8_t)0x01)
AP位
AP 的具体定义如下：
#define MPU_REGION_NO_ACCESS ((uint8_t)0x00)
#define MPU_REGION_PRIV_RW ((uint8_t)0x01)
#define MPU_REGION_PRIV_RW_URO ((uint8_t)0x02)
#define MPU_REGION_FULL_ACCESS ((uint8_t)0x03)
#define MPU_REGION_PRIV_RO ((uint8_t)0x05)
#define MPU_REGION_PRIV_RO_URO ((uint8_t)0x06)
TEX、C、B、S位
TEX，C，B 和 S 的定义如下，这仅关注 TEX = 0b000 和 0b001，其它的 TEX 配置基本用不到。
TEX 用于配置 Cache 策略，支持如下四种情况，需要配合 C 和 B 位的配置才能实现。
TEX 对应的 HAL 库 MPU 参数给了三个，实际应用中仅用到前两个 MPU_TEX_LEVEL0 和MPU_TEX_LEVEL1
#define MPU_TEX_LEVEL0 ((uint8_t)0x00)
#define MPU_TEX_LEVEL1 ((uint8_t)0x01)
#define MPU_TEX_LEVEL2 ((uint8_t)0x02)
C 位对应的 HAL 库 MPU 参数如下，用于使能或者禁止 Cache。
#define MPU_ACCESS_CACHEABLE ((uint8_t)0x01)
#define MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE ((uint8_t)0x00)
B 位对应的 HAL 库 MPU 参数如下，用于配合 C 位实现 Cache 模式下是否使用缓冲。
#define MPU_ACCESS_BUFFERABLE ((uint8_t)0x01)
#define MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE ((uint8_t)0x00)
S 位对应的 HAL 库 MPU 参数如下，用于解决多总线或者多核访问的共享问题。
#define MPU_ACCESS_SHAREABLE ((uint8_t)0x01)
#define MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE ((uint8_t)0x00)
SRD 位
这个位用于控制内存区的子区域，使用的是 bit[15:8]，共计 8 个 bit，一个 bit 控制一个子区域，0
表示使能此子区域，1 表示禁止此子区域。
一般情况，基本不使用子区域的禁止功能，所以配置 HAL 库的 SubRegionDisable 参数时，直接取
值 0x00 即可，表示 8 个子区域均使能。
SIZE 位
SIZE 位使用的是 bit[5:1]，共计 5 个 bit，可以表示 2^5 = 32 种大小。 对应的 HAL 库给出了可以配置的 28 个参数。
#define MPU_REGION_SIZE_32B ((uint8_t)0x04)
#define MPU_REGION_SIZE_64B ((uint8_t)0x05)
#define MPU_REGION_SIZE_128B ((uint8_t)0x06)
#define MPU_REGION_SIZE_256B ((uint8_t)0x07)
#define MPU_REGION_SIZE_512B ((uint8_t)0x08)
#define MPU_REGION_SIZE_1KB ((uint8_t)0x09)
#define MPU_REGION_SIZE_2KB ((uint8_t)0x0A)
#define MPU_REGION_SIZE_4KB ((uint8_t)0x0B)
#define MPU_REGION_SIZE_8KB ((uint8_t)0x0C)
#define MPU_REGION_SIZE_16KB ((uint8_t)0x0D)
#define MPU_REGION_SIZE_32KB ((uint8_t)0x0E)
#define MPU_REGION_SIZE_64KB ((uint8_t)0x0F)
#define MPU_REGION_SIZE_128KB ((uint8_t)0x10)
#define MPU_REGION_SIZE_256KB ((uint8_t)0x11)
#define MPU_REGION_SIZE_512KB ((uint8_t)0x12)
#define MPU_REGION_SIZE_1MB ((uint8_t)0x13)
#define MPU_REGION_SIZE_2MB ((uint8_t)0x14)
#define MPU_REGION_SIZE_4MB ((uint8_t)0x15)
#define MPU_REGION_SIZE_8MB ((uint8_t)0x16)
#define MPU_REGION_SIZE_16MB ((uint8_t)0x17)
#define MPU_REGION_SIZE_32MB ((uint8_t)0x18)
#define MPU_REGION_SIZE_64MB ((uint8_t)0x19)
#define MPU_REGION_SIZE_128MB ((uint8_t)0x1A)
#define MPU_REGION_SIZE_256MB ((uint8_t)0x1B)
#define MPU_REGION_SIZE_512MB ((uint8_t)0x1C)
#define MPU_REGION_SIZE_1GB ((uint8_t)0x1D)
#define MPU_REGION_SIZE_2GB ((uint8_t)0x1E)
#define MPU_REGION_SIZE_4GB ((uint8_t)0x1F)
CTRL 寄存器的各个位
示例
static void MPU_Config( void )
{MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;/* 禁止 MPU */HAL_MPU_Disable();/* 配置 AXI SRAM 的 MPU 属性为 Write back, Read allocate，Write allocate */MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000;MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB;MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1;MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);/* 配置 FMC 扩展 IO 的 MPU 属性为 Device 或者 Strongly Ordered */MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000;MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB;MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);/*使能 MPU */HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}
总结
本文章对MPU基本功能和寄存器进行了概述，并放入了一个示例，仅供个人学习用。