二十三、STM32——F7/H7内存保护单元MPU

1 什么是MPU？我们为什么要使用MPU

MPU的全称是内存保护单元，主要作用是：

1. 代码访问保护

2. 内存保护

3. 外设保护

在stm32的F7系列和H7系列mpu中配置了Cache,这使得在这些高系列中要提高性能，会使用mpu变得十分的有必要。

2 简化的MPU框图及简介

从上面的图我们知道cpu与内存的通讯路线有三种：

• strongely ordered memory（直接与内存通讯）：程序完全按照代码顺序执行，CPU会等待当前加载存储执行完毕后才执行下一条指令，导致性能下降。

• device memory（经过buffer再通讯）：外设加载和存储要严格按照次序进行，确保寄存器按照正确顺序设置。

• normal memory（经过cache再通讯）：CPU以最高效的方式加载和存储字节、半字和字， CPU对于这种内存区的加载或存储不一定要按照程序代码的顺序执行。

它们的速度依次变大，normal memory 最快同时也是默认配置。

你可能会有疑问为什么这条看起来最慢的却是最快的，主要是因为cpu的读写速度比memory快得多得多，这样会导致出现cpu会停下来等待memory的情况，从而影响了它们间的通讯的速度，而在它们间加一个读写速度介于两者间的cache，用于储存高频使用的数据，让cpu和memory的数据不总是直接来自对方，从而提高两者通讯的速度。

3 Cache的命中（hit）与未命中（miss）

如果Cache刚好存储有cpu或memory的数据可以直接拿取叫做Cache的命中，反之就是miss未命中（叫未命中可能不太严谨，主要是想形象表达这个意思）。

4 CPU读写Cache

4.1 读命中

4.2 读未命中

读未命中有两种情况：

4.2.1 read through（直接读）

4.2.2 read allocate（读分配，即间接读）

4.3 写命中

写命中两种情况：

1. Write-through(直接写): 在数据更新时，把数据同时写入Cache和内存区。

   

2. Write-back(稍后写)：只有在数据被替换出缓存Cache时，被修改的缓存Cache数据才会 被写到后端存储。

   只有1，被替换成100，这时候1才会被写入到内存中。

   

4.4 写未命中

1. write allocate(写分配，即间接写)：先把要写的数据载入到Cache中，写Cache，然后再通过flush的方式写入到内存中。

   

2. no write allocate(不间接写) ：并不将写入位置读入缓存，直接把要写的数据写入到内存中。

   

5 访问权限

特权级（Privileged）和非特权级（Unprivileged）主要由控制寄存器（CONTROL）中的 nPRIV位进行区分。

RTOS（实时操作系统） 通常让用户任务运行在 非特权模式，防止它们直接访问系统资源，而 RTOS 内核运行在 特权模式。

在 裸机开发 中，如果没有安全需求，一般默认运行在 特权模式。

• MPU_REGION_NO_ACCESS：无访问(特权级&用户级都不可访问)

• MPU_REGION_PRIV_RW：仅支持特权级读写访问

• MPU_REGION_PRIV_RW_URO：禁止用户写访问(特权可读写访问)

• MPU_REGION_FULL_ACCESS：全访问(特权级&用户级都可访问)

• MPU_REGION_PRIV_RO：仅支持特权读访问

• MPU_REGION_PRIV_RO_URO：只读(特权&用户都不可以写）

所以我们一般设置 MPU_REGION_NO_ACCESS 和 MPU_REGION_FULL_ACCESS。

6 MPU配置区域

STM32H7系列可以配置16个内存区域，0 - 15 优先级越来越大，优先级大的配置规则优先覆盖优先级低的规则。

一定要配置可访问背景，如果不设置可能出现各种莫名奇妙的错误。保护区大小一定要是32的整数倍。

因为Cash最小单位是32K，32 * 8 = 256KB

什么是保护区子区？

很简单上面说的16块region即16块保护区，每一块保护区又可分为8块子区。一般不使用。

7 配置策略

• 可缓存作用是开启Cache，加速CPU访问SRAM。

• 可缓冲的作用是开启Buffer，把CPU和Cache从较低的SRAM操作摆脱出来。

• 可共享的作用是解决master的数据同步。不要开启。

以下表对应 TEX field level 三个等级：

1. 一般不用Level 2（TEX = 2），也就是0b010

2. 性能最强Normal，TEX = 1, C = 1, B = 1, S = 0 是性能最强。（非共享性能最强）

3. 性能最弱Normal， TEX = 1， C = 0， B = 0， S = 1 是性能最弱Normal。

8 MPU配置总结

1. SCB_EnableICache() 和 SCB_EnableDCache 都是使能

8.1 DTCM和ITCM

TCM已经跟CPU主频一样，不需要做任何MPU配置，如果配置可能会出现各种奇葩问题。

8.2 内部Flash（0x800 0000）或者QSPI Flash

内部Flash可以直接使用默认配置，默认配置就是以下配置。

8.3 DM9000、以太网收发描述符

这一类都是需要设置为Device或者Strongly order执行方式的外设，此时读写Cache都是关闭的。

这类型好像共享开不开都无所谓。

不支持非对齐访问，非对齐访问直接错误：

8.4

7.1 常用配置策略

参考

参考1：初学stm32 — 内存保护单元(MPU)

参考2：STM32H743ZIT6+LWIP+MPU+CUBEMX，通过stm32cubemx完成初始化，ping包亲测没问题，带解释!!

参考3：使用cubemx配置stm32h4750vb的mpu

MPU相关

https://blog.51cto.com/u_16213567/12781299

https://blog.csdn.net/szccxy/article/details/134460146

https://blog.csdn.net/JasonKyro/article/details/134775772