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[導(dǎo)讀]估計(jì)大家經(jīng)??匆?jiàn)MCU、MPU、MMU等這類縮寫(xiě)詞,但你們了解什么是MPU嗎?


關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào),不錯(cuò)過(guò)精彩內(nèi)容

作者:strongerHuang

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估計(jì)大家經(jīng)??匆?jiàn)MCU、MPU、MMU等這類縮寫(xiě)詞,但你們了解什么是MPU嗎?


1寫(xiě)在前面

不知道大家有沒(méi)有關(guān)注過(guò)Cortex-M內(nèi)核的一些內(nèi)容,在STM32大部分型號(hào)中都有MPU。


MPU是Cortex-M的選配件,拿STM32F1來(lái)說(shuō),STM32F10X_XL系列的芯片才具有這個(gè)MPU存儲(chǔ)保護(hù)單元,而其他STM32F1芯片沒(méi)有。

可能很多人都處于簡(jiǎn)單知道,或認(rèn)識(shí)MPU的階段,今天就寫(xiě)點(diǎn)關(guān)于MPU的內(nèi)容,讓大家進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解MPU。


2

認(rèn)識(shí)MPU,及作用
MPU:Memory Protection Unit ,內(nèi)存保護(hù)單元。

MPU存儲(chǔ)器保護(hù)單元,它可以實(shí)施對(duì)存儲(chǔ)器(主要是內(nèi)存和外設(shè)寄存器)的保護(hù),以使軟件更加健壯和可靠。在使用前,必須根據(jù)需要對(duì)其編程。如果沒(méi)有啟用MPU,則等同于系統(tǒng)中沒(méi)有配MPU。

MPU有如下的能力可以提高系統(tǒng)的可靠性
  • 阻止用戶應(yīng)用程序破壞操作系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)。
  • 阻止一個(gè)任務(wù)訪問(wèn)其它任務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū),從而把任務(wù)隔開(kāi)。
  • 可以把關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置為只讀,從根本上消除了被破壞的可能。
  • 檢測(cè)意外的存儲(chǔ)訪問(wèn),如,堆棧溢出,數(shù)組越界。
  • 此外,還可以通過(guò)MPU設(shè)置存儲(chǔ)器regions的其它訪問(wèn)屬性,比如,是否緩區(qū),是否緩沖等。


3

了解野指針
上面簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)了一下MPU的功能,其實(shí)它有個(gè)重要的功能就是對(duì)指針訪問(wèn)的內(nèi)存具有保護(hù)作用。所以,這里讓大家認(rèn)識(shí)一下指針和野指針。


回顧一下, 什么是指針?指針在內(nèi)存中實(shí)際上是一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)(unsigned int),但是它的值被賦予特殊的解釋:表示變量或函數(shù)的地址。所以才被形象地稱為“指針”,就好像指向誰(shuí)家似的。在使用指針前, 都必須先讓它指向有意義的, 并且允許由程序使用的實(shí)體——數(shù)據(jù)和代碼。而所謂“野指針”, 就是指某個(gè)指針變量的值因故超出合法的范圍, 使其“槍口” 亂指。程序邏輯錯(cuò)誤、 數(shù)組越界、 堆棧溢出、 指針未經(jīng)初始化、 對(duì)緩存與緩沖的處理不當(dāng)、 多任務(wù)環(huán)境中的紊亂條件, 甚至是惡意地破壞等, 都可以制造出野指針。如果使用野指針去讀取或修改內(nèi)存, 則被讀取或修改的位置是不可預(yù)料的。前者導(dǎo)致讀回來(lái)的都是亂掉的數(shù)據(jù), 后者則會(huì)破壞未知用途的數(shù)據(jù)。這常常導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生莫名其妙的功能紊亂, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)毫無(wú)征兆,沒(méi)有理由地失控、死機(jī)。


野指針就像“肉里的刺, 醬里的蛆” 一般:一個(gè)野指針就足以毀掉整個(gè)系統(tǒng), 而且極其隱蔽, 很難通過(guò)癥狀來(lái)找出是哪里存在野指針, 甚至都不能判定癥狀是否因野指針造成(程序大了其它 bug 也很多,并且也能導(dǎo)致相同的癥狀)。對(duì)于通常的單片機(jī)系統(tǒng),是沒(méi)有任何辦法來(lái)防止野指針的破壞的, 完全靠程序員的素質(zhì)和自律。但智者千慮, 必有一失。尤其是當(dāng)程序規(guī)模變得很大時(shí),復(fù)雜度會(huì)呈指數(shù)上升,千頭萬(wàn)緒糾纏不清, 就算是謹(jǐn)慎如諸葛亮,聰明如比爾?蓋茨的天才,也不敢保證沒(méi)有漏網(wǎng)之魚(yú)。


---來(lái)自CM3內(nèi)核翻譯作者


4

進(jìn)一步了解MPU
MPU在執(zhí)行其功能時(shí),是以所謂的“region區(qū)域”為單位的。 一個(gè)region其實(shí)就是一段連續(xù)的地址,只是它們的位置和范圍都要滿足一些限制(對(duì)齊方式,最小容量等)

CM3的MPU共支持8個(gè)regions,還允許把每個(gè)region進(jìn)一步劃分成更小的“子region”。此外,還允許啟用一個(gè)“背景region”(即沒(méi)有MPU時(shí)的全部地址空間),不過(guò)它是只能由特權(quán)級(jí)享用。在啟用MPU后,就不得再訪問(wèn)定義之外的地址區(qū)間,也不得訪問(wèn)未經(jīng)授權(quán)的region。否則,將以“訪問(wèn)違例”處理,觸發(fā)MemManage fault。

MPU定義的regions可以相互交迭。如果某塊內(nèi)存落在多個(gè)region中,則訪問(wèn)屬性和權(quán)限將由編號(hào)最大的region來(lái)決定。比如,若1號(hào)region與4號(hào)region交迭,則交迭的部分受4號(hào)region控制。

MPU可用于保護(hù)多達(dá)16個(gè)內(nèi)存區(qū)域。如果區(qū)域至少為256字節(jié),那么這些區(qū)域可以有8個(gè)子區(qū)域。子區(qū)域的大小總是相等的,可以通過(guò)子區(qū)域號(hào)啟用或禁用。因?yàn)樽钚^(qū)域大小是由緩存行長(zhǎng)度(32字節(jié))驅(qū)動(dòng)的,所以8個(gè)32字節(jié)的子區(qū)域?qū)?yīng)256字節(jié)大小。



5

MPU學(xué)習(xí)資料
上面只是進(jìn)一步讓大家了解了MPU內(nèi)存保護(hù)單元,對(duì)于想要深入理解的朋友就需要參看更多相關(guān)資料。

對(duì)學(xué)習(xí)MPU編程,就需要對(duì)MPU相關(guān)寄存器進(jìn)行掌握,MPU的寄存器其實(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)也不多,這里再Cotex-M內(nèi)核技術(shù)參考手冊(cè),以及STM32應(yīng)用筆記Managing memory protection unit (MPU) in STM32 MCUs、編程手冊(cè)中都有講述關(guān)于MPU的知識(shí)。


為方便大家理解,這里也簡(jiǎn)單說(shuō)幾點(diǎn)。

1.STM32內(nèi)存映射


2.MPU 的寄存器組

操作MPU是就如操作普通STM32外設(shè)一樣,通過(guò)訪問(wèn)它的若干寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,MPU寄存器如下表所示。

MPU寄存器看起來(lái)比較復(fù)雜,那是自然了,畢竟已經(jīng)上升到存儲(chǔ)器管理的高度。但如果我們胸有成竹——已經(jīng)想好了對(duì)存儲(chǔ)器如何劃分,這就只是一些繁瑣和考驗(yàn)細(xì)心的體力活。典型情況下,在啟用MPU的系統(tǒng)中,都會(huì)有下列的regions。

特權(quán)級(jí)的程序代碼(如OS內(nèi)核和異常服務(wù)例程)

?用戶級(jí)的程序代碼

?特權(quán)級(jí)程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,位于代碼區(qū)中(data_stack)

?用戶級(jí)程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,位于代碼區(qū)中(data_stack)

?通用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,位于其它存儲(chǔ)器區(qū)域中(如, SRAM)

?系統(tǒng)設(shè)備區(qū),只允許特權(quán)級(jí)訪問(wèn),如NVIC和MPU的寄存器所有的地址區(qū)間

?常規(guī)外設(shè)區(qū),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的內(nèi)容,可參考CM3技術(shù)手冊(cè),以及STM32應(yīng)用手冊(cè)和編程手冊(cè)。


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