讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元

原创

__Shirley 2021-08-11 11:17:08 ©著作权

文章标签 野指针寄存器数据特权级数据存储 文章分类 代码人生

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估计大家经常看见MCU、MPU、MMU等这类缩写词，你们了解MPU吗？

1写在前面

不知道大家有没有关注过Cortex-M内核的一些内容，在STM32大部分型号中都有MPU。

MPU是Cortex-M的选配件，拿STM32F1来说，STM32F10X_XL系列的芯片才具有这个MPU存储保护单元，而其他STM32F1芯片没有。

讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元_特权级

可能很多人都处于简单知道，或认识MPU的阶段，今天就写点关于MPU的内容，让大家进一步认识和了解MPU。

认识MPU，及作用

MPU：Memory Protection Unit，内存保护单元。

MPU存储器保护单元，它可以实施对存储器（主要是内存和外设寄存器）的保护，以使软件更加健壮和可靠。在使用前，必须根据需要对其编程。如果没有启用MPU，则等同于系统中没有配MPU。

MPU有如下的能力可以提高系统的可靠性：

阻止用户应用程序破坏操作系统使用的数据。
阻止一个任务访问其它任务的数据区，从而把任务隔开。
可以把关键数据区设置为只读，从根本上消除了被破坏的可能。
检测意外的存储访问，如，堆栈溢出，数组越界。
此外，还可以通过MPU设置存储器regions的其它访问属性，比如，是否缓区，是否缓冲等。

了解野指针

上面简单认识了一下MPU的功能，其实它有个重要的功能就是对指针访问的内存具有保护作用。所以，这里让大家认识一下指针和野指针。

回顾一下，什么是指针？指针在内存中实际上是一个无符号整数（unsigned int），但是它的值被赋予特殊的解释：表示变量或函数的地址。所以才被形象地称为“指针”，就好像指向谁家似的。在使用指针前，都必须先让它指向有意义的，并且允许由程序使用的实体——数据和代码。而所谓“野指针”，就是指某个指针变量的值因故超出合法的范围，使其“枪口” 乱指。程序逻辑错误、数组越界、堆栈溢出、指针未经初始化、对缓存与缓冲的处理不当、多任务环境中的紊乱条件，甚至是恶意地破坏等，都可以制造出野指针。如果使用野指针去读取或修改内存，则被读取或修改的位置是不可预料的。前者导致读回来的都是乱掉的数据，后者则会破坏未知用途的数据。这常常导致系统发生莫名其妙的功能紊乱，严重时会使系统毫无征兆，没有理由地失控、死机。

野指针就像“肉里的刺，酱里的蛆” 一般：一个野指针就足以毁掉整个系统，而且极其隐蔽，很难通过症状来找出是哪里存在野指针，甚至都不能判定症状是否因野指针造成（程序大了其它 bug 也很多，并且也能导致相同的症状）。对于通常的单片机系统，是没有任何办法来防止野指针的破坏的，完全靠程序员的素质和自律。但智者千虑，必有一失。尤其是当程序规模变得很大时，复杂度会呈指数上升，千头万绪纠缠不清，就算是谨慎如诸葛亮，聪明如比尔·盖茨的天才，也不敢保证没有漏网之鱼。

---来自CM3内核翻译作者

进一步了解MPU

MPU在执行其功能时，是以所谓的“region区域”为单位的。一个region其实就是一段连续的地址，只是它们的位置和范围都要满足一些限制（对齐方式，最小容量等）。

CM3的MPU共支持8个regions，还允许把每个region进一步划分成更小的“子region”。此外，还允许启用一个“背景region”（即没有MPU时的全部地址空间），不过它是只能由特权级享用。在启用MPU后，就不得再访问定义之外的地址区间，也不得访问未经授权的region。否则，将以“访问违例”处理，触发MemManage fault。

MPU定义的regions可以相互交迭。如果某块内存落在多个region中，则访问属性和权限将由编号最大的region来决定。比如，若1号region与4号region交迭，则交迭的部分受4号region控制。

MPU可用于保护多达16个内存区域。如果区域至少为256字节，那么这些区域可以有8个子区域。子区域的大小总是相等的，可以通过子区域号启用或禁用。因为最小区域大小是由缓存行长度(32字节)驱动的，所以8个32字节的子区域对应256字节大小。

讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元_寄存器_02

MPU学习资料

上面只是进一步让大家了解了MPU内存保护单元，对于想要深入理解的朋友就需要参看更多相关资料。

对学习MPU编程，就需要对MPU相关寄存器进行掌握，MPU的寄存器其实相对来说也不多，这里再Cotex-M内核技术参考手册，以及STM32应用笔记Managing memory protection unit (MPU) in STM32 MCUs、编程手册中都有讲述关于MPU的知识。

讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元_数据存储_03

为方便大家，这里也简单说几点。

1.STM32内存映射

讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元_特权级_04

2.MPU 的寄存器组

操作MPU是就如操作普通STM32外设一样，通过访问它的若干寄存器来实现的，MPU寄存器如下表所示。

讲讲Cortex-M内核的MPU内存保护单元_数据_05

MPU寄存器看起来比较复杂，那是自然了，毕竟已经上升到存储器管理的高度。但如果我们胸有成竹——已经想好了对存储器如何划分，这就只是一些繁琐和考验细心的体力活。典型情况下，在启用MPU的系统中，都会有下列的regions。

特权级的程序代码（如OS内核和异常服务例程）

用户级的程序代码

特权级程序的数据存储器，位于代码区中（data_stack）

用户级程序的数据存储器，位于代码区中（data_stack）

通用的数据存储器，位于其它存储器区域中（如， SRAM）

系统设备区，只允许特权级访问，如NVIC和MPU的寄存器所有的地址区间

常规外设区，如UART， ADC等

3.Cube HAL配置MPU例子

void MPU_RegionConfig(void)
{
  MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;
  /* Disable MPU */
  HAL_MPU_Disable();
  /* Configure RAM region as Region N°0, 8kB of size and R/W region */
  MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
  MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x20000000;
  MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_8KB;
  MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
  MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
  MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
  MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
  MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;
  MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
  MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
  MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
  HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
  /* Configure FLASH region as REGION N°1, 1MB of size and R/W region */
  MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x08000000;
  MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_1MB;
  MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
  MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;
  HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
  /* Configure FMC region as REGION N°2, 0.5GB of size, R/W region */
  MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000;
  MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512MB;
  MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
  MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER2;
  HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
  /* Enable MPU */
  HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

想要了解更多MPU的内容，可参考CM3技术手册，以及STM32应用手册和编程手册。

近期活动

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