探索MPU：功能解析、寄存器配置与编程应用
本帖最后由 DKENNY 于 2024-8-15 16:43 编辑#申请原创# @21小跑堂
最近学习了有关MPU的内容，本帖将对MPU的功能，相关寄存器的配置，以及在实际编程中如何运用MPU这三个方面作一个简单的分享。
## MPU 的功能内存保护单元（MPU）能够将内存划分为多个区域，并为每个区域设定不同的访问权限，从而提升系统的可靠性。它的主要用途包括：- 区分特权用户和普通用户的访问区域，这样可以提高操作系统的稳定性。- 设置只读区域，以防止重要数据被误修改。- 监测堆和栈的溢出情况，以确保系统安全。
## MPU相关寄存器（基地址：0xE000ED90）MPU配备了一系列寄存器。接下来，我们将结合这些寄存器详细阐述MPU的功能。寄存器组如下表所示。
寄存器名类型复位值寄存器功能描述
MPU_TYPEROAMPU 类型寄存器
MPU_CTRLRW0x00000000MPU控制寄存器
MPU_RNRRW-MPU区域号寄存器（region号）
MPU_RBARRW-MPU区域基地址寄存器
MPU_RASRRW-MPU区域属性和大小寄存器
MPU_RBAR_A1RW-MPU_RBAR的别名1
MPU_RASR_A1RW-MPU_RASR的别名1
MPU_RBAR_A2RW-MPU_RBAR的别名2
MPU_RASR_A2RW-MPU_RASR的别名2
MPU_RBAR_A3RW-MPU_RBAR的别名3
MPU_RASR_A3RW-MPU_RASR的别名3
下面详细介绍各个寄存器。
### MPU 类型寄存器（MPU_TYPE，地址：0xE000ED90）
名称
位段功能描述
Bits保留
IREGIONbitsMPU 支持的指令 region 数量。因为 ARMv7‐M 只使用单个统一的 MPU，此位段一直为0
DREGIONbitsMPU支持的区域数量。如果该字段的读数为0，则处理器不实现MPU
Bits保留位
SEPARATEbit是否支持单独的指令和数据地址映射。
MPU寄存器是只读的，我们主要关注DREGION位。通过检查这个位，我们可以确定是否启用了MPU。如果这个字段的读取值为零，那么就意味着MPU没有被使用。如果MPU被启用，那么通常情况下，它会返回MPU支持的区域数量，Cortex_M4最多可以支持8个区域。
可使用jlink读取该寄存器地址，以查看该芯片内核是否支持MPU，如下是APM32F407的读取情况：
可以看到读取的数据是0x800，对应的DREGION值为8，说明MPU支持的region最大数量为8。
### MPU控制寄存器（MPU_CTRL，地址：0xE000ED94）
名称位段功能描述
Bits保留
PRIVDEFENAbit设置特权访问模式下MPU的策略1=启用默认内存映射作为特权访问的背景区域。0=禁用默认内存映射，超出制定区域的任何数据或指令访问都将引起错误。
HFNMIENAbit设置在不可屏蔽中断（NMI）和硬 件中断中MPU策略。1= 在不可屏蔽中断和硬件中断服务函数中MPU依然有效0=在不可屏蔽中断和硬件中断服务函数中MPU依然失效
ENABLEbitMPU 使能位，1=使能，0=不使能
1. 寄存器概述： - 在MPU_CTRL寄存器中，ENABLE和HFNMIENA位的作用已有明确说明，因此不再详细讨论。
2. 重点讨论PRIVDEFEN位： - Cortex内核具有两种执行模式：特权模式和用户模式。 - 特权模式：具有更高的访问权限。 - 用户模式：权限较低，限制较多。
3. MPU的配置： - PRIVDEFENA位用于配置特权模式下的MPU访问策略。 - 当MPU启用时，内存空间可以被划分为1到8个区域（region0~region7）。 - 一些内存区域可能未被划分，这些未划分的区域称为背景区域（region-1）。
4. PRIVDEFENA位的作用： - 当PRIVDEFENA位设为1时： - 允许特权模式访问背景区域（region-1）。 - 当PRIVDEFENA位设为0时： - 禁止特权模式访问背景区域（region-1）。
### MPU区域号寄存器（MPU_RNR，地址：0xE000ED98）
名称位段功能描述
Bits保留
REGIONbits指定设置的内存区域
1. MPU的区域配置： - MPU支持配置1到8个区域（region）。 - 每个区域的设置是独立的，可以根据需要进行个别配置。
2. 配置步骤： - 在进行区域配置之前，必须先通过MPU_RNR寄存器选择要设置的区域编号。 - 选择好区域编号后，再对MPU_RBAR和MPU_RASR寄存器进行配置。
### MPU区域基地址寄存器（MPU_RBAR，地址：0xE000ED9C）
名称位段功能描述
ADDRbits区域的基地址
VALIDbit决定REGION字段设置的区域编 号是否覆盖MPU_RNR寄存器设置的区域编号
REGIONbitsMPU 区域编号复写字段
1. ADDR位段： - 位段：bits。 - 功能描述：存储区域的基地址。
2. VALID位段： - 位段：bit。 - 功能描述：决定REGION字段设置的区域编号是否覆盖MPU_RNR寄存器设置的区域编号。
3. REGION位段： - 位段：bits。 - 功能描述：用于复写MPU区域编号。
4. 寄存器的便利性： - 通过设置REGION为区域编号，VALID为1，提供了一种更为便捷的方式来修改区域编号。 - 这种方式可以更快地设置区域编号。
### MPU区域属性和大小寄存器（MPU_RASR, 地址：0xE000EDA0）
名称位段功能描述
bits保留
XNbits禁止取指
bits保留
APbits访问权限
bits保留
TEXbits扩展类型
Sbits是否可共享，1=可共享，0=不可 共享
Cbits(Cachable)可缓存，1= 可缓存，0=不可缓存。
Bbits(Bufferable)可传冲1=可缓冲，0=不可缓冲
SRDbits子区域使能位，对于256字节或更大的区域，该字段的每个位控制是否启用八个相等的子区域
Bits保留位
SIZEbits区域的大小
ENABLEbit区域使能位，1，使能区域。0，禁用区域
1. MPU_RASR寄存器简介- 功能：MPU_RASR寄存器主要负责配置MPU区域的属性。- 重要性：这是一个关键的过程，涉及许多需要深入理解的概念。
2. SRD位的作用- 子区域配置：SRD位用于配置子区域。- 区域划分： - 所有超过128字节的区域被划分为8个等大小的子区域。 - 每个子区域的大小相同。
3. SRD的位解释- 位段： - SRD寄存器的8位：从第8位到第15位。- 控制功能： - 如果设置为1：启用相应的子区域（region）。 - 如果设置为0：禁用相应的子区域（region）。
区域属性B、C、S、TEX的设置，详细解释如下表。
TEXCB存储器类型描述可共享
00000严格按照顺序严格按照顺序可共享
00001设备共享的设备可共享
00010普通外部内存或内部内存，写通型内存，没有写分配由S位决定
00011普通外部内存或内部内存，写回型内存，没有写分配由S位决定
00100普通外部内存或内部内存，Non-cachable型内存由S位决定
00101保留保留，保留
00110IMPL EMENTATI ON DEFINEDIMPL EMENTATI ON DEFINEDIMPL EMENTATIONDEFINED
00111普通外部内存或内部内存，写回型内存，有读、写分配由S位决定
01000设备不可共享设备不可共享
01001保留保留保留
0101X保留保留保留
011XX保留保留保留
1BBAA普通带缓存的内存，AA，针对内部内存，BB针对外部内存，由S位决定
1. 内存特性： - 写通型内存（Write-Through）： - 当Cache被激活，且内存A被设定为写通型时，CPU向内存A写入数据。如果Cache中已经为内存A的数据分配了对应空间，那么数据会同时写入Cache和内存。
- 写回型内存（Write-Back）： - 当Cache被激活，且内存A被设定为写回型时，CPU向内存A写入数据。如果Cache中已经为内存A的数据分配了对应空间，那么数据会被写入Cache，但不会立刻写入内存。
- 非缓存（Non-cachable）： - 这种类型的内存在CPU进行读写操作时不会经过Cache。
2. Cache策略： - 读分配（Read Allocate）： - Cache被激活时会启用。意味着当CPU需要读取内存B的数据时，如果在Cache中找不到，则会直接从内存中读取，并在Cache中备份。
- 写分配（Write Allocate）： - 功能与读分配类似，即在Cache被激活时，如果进行写操作且Cache中没有对应数据，则会从内存中读取数据到Cache后再进行写入。
3. TEX配置： - 当TEX的最高位设为1时，可以分别配置外部内存（片外内存）和内部内存（片内内存）的属性。 - 此时，TEX的后两位（BB）用于设定外部内存的属性，而C和B位（AA）用于设定内部内存的属性。
无论是AA还是BB，它们的每个数值都有相同的含义，如下表所示。
AA 或 BB编码可缓存策略
00不可缓存
01写回，读分配和写分配
10写通，读分配，无写分配
11写回，读分配，无写分配
访问权限AP，字段AP用于设置访问权限，同样我们用一张表来说明该位，如下表所示。
AP特权用户访问权限普通用户访问权限注意事项
000不可访问不可访问任何访问都会生成权限错误
001Read/write不可访问只允许特权用户访问
010Read/writeRead-only非特权用户只读
011Read/writeRead/write完全访问
100UNPREDICTABLEUNPREDICTABLE保留
101Read-only不可访问特权用户只读
110Read-onlyRead-only只读
111Read-onlyRead-only只读
MPU的设置的主要任务就是配置MPU_RASR寄存器，MPU_RASR寄存器寄存器主要分为区域属性设置和访问权限设置。
## MPU的使用MPU的配置流程可以参考如下的流程图：
如下是一个简单的MPU配置例程代码,配套使用的开发板是APM32F407IG。
Main函数实现：
void MPU_Config(void)
{
ARM_MPU_Disable();
MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(0,0x08004000);
MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0,ARM_MPU_AP_PRO,0,0,1,1,0,ARM_MPU_REGION_SIZE_1KB);
ARM_MPU_Enable(MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk);
NVIC_EnableIRQ(MemoryManagement_IRQn);
}
void USARTInit(void)
{
/* USART Initialization */
USART_Config_T usartConfigStruct;
/* USART configuration */
USART_ConfigStructInit(&usartConfigStruct);
usartConfigStruct.baudRate = 115200;
usartConfigStruct.mode = USART_MODE_TX_RX;
usartConfigStruct.parity = USART_PARITY_NONE;
usartConfigStruct.stopBits = USART_STOP_BIT_1;
usartConfigStruct.wordLength = USART_WORD_LEN_8B;
usartConfigStruct.hardwareFlow = USART_HARDWARE_FLOW_NONE;
/* COM1 init*/
APM_COMInit(COM1, &usartConfigStruct);
}
/*!
* @brief Main program
*
* @param None
*
* @retval None
*/
int main(void)
{
USARTInit();
MPU_Config();
*(uint32_t *)0x08004000 = 0x12;
while (1)
{
}
}
其中ARM相关的MPU操作函数在其相关的内核文件中，可以自行去了解，这里就不介绍了。
中断服务函数实现：/*!
* @brief This function handles Memory Manage exception
*
* @param None
*
* @retval None
*
*/
void MemManage_Handler(void)
{
/* Go to infinite loop when Memory Manage exception occurs */
while (1)
{
}
}
其中涉及到宏定义参数介绍如下：#define ARM_MPU_RBAR(Region, BaseAddress)- Region，MPU区域编号，最多可以设置8个Region ,取值范围为（0到7）- BaseAddress，区域的起始地址。
#define ARM_MPU_RASR(DisableExec, AccessPermission, TypeExtField, IsShareable, IsCacheable, IsBufferable, SubRegionDisable, Size)
宏ARM_MPU_RASR与宏ARM_MPU_RBAR分别用于设置MPU_RBAR寄存器和MPU_RASR寄存器。我们知道宏定义中每个参数的含义即可，其他工作有宏定义自动完成。宏ARM_MPU_RASR的参数介绍如下：- DisableExec，禁用区域（region），1=禁用指定的区域，0=启用指定的区域。- AccessPermission，设置数据访问权限。
#define ARM_MPU_AP_NONE 0u
#define ARM_MPU_AP_PRIV 1u
#define ARM_MPU_AP_URO2u
#define ARM_MPU_AP_FULL 3u
#define ARM_MPU_AP_PRO5u
#define ARM_MPU_AP_RO 6u
通过宏定义的名字我们可以知道设置的访问权限。- TypeExtField、IsShareable、IsCacheable、IsBufferable，依次设置MPU_RASR寄存器的TEX、S、C、B字段。- SubRegionDisable，禁用次区域。1=禁用，0=启用次区域。- Size，区域大小。
在配置MPU（Memory Protection Unit）区域时，有两个关键点需要注意：
1. 区域重叠：如果两个或多个MPU区域有重叠部分，那么区域号较大的设置将会覆盖区域号较小的设置。这是因为在处理重叠区域时，MPU会优先考虑区域号较大的设置。例如，如果区域0和区域1有重叠，那么在重叠部分，区域1的设置将会被使用。
2. 区域号的最大值：在配置MPU区域时，区域号的值必须在有效范围内，通常是0到7（包含）。如果超过这个范围，可能会导致不可预测的错误。这是因为MPU硬件只设计了固定数量的区域（在这个例子中是8个），超出这个范围的区域号是无效的。
总的来说，这两点都是为了确保MPU配置的正确性和系统的稳定性。
上面的例程代码主要实现了以下功能：
- MPU_Config(void):这个函数用于配置内存保护单元（MPU）。在函数内部，首先禁用了MPU，然后设置了一个具有特定属性的内存区域，这个区域的基地址是0x08004000，大小是1KB，访问权限被设置为仅允许特权级别的访问。最后，启用了MPU和默认的内存管理错误中断。
- USARTInit(void):这个函数用于初始化USART（通用同步异步收发器）。在函数内部，首先定义了一个USART的配置结构体，然后初始化了这个结构体，并设置了一些参数，如波特率、模式、奇偶校验、停止位、字长和硬件流控制。最后，使用这个配置结构体初始化了COM1。
- main(void): 这是程序的主函数。在函数内部，首先调用了USARTInit()和MPU_Config()函数，然后试图向地址0x08004000写入一个值。由于这个地址被MPU设置为只允许特权级别的访问，所以这个写操作会引发内存管理错误中断，然后程序将会进入MemManage_Handler()函数。
- MemManage_Handler(void):这是一个中断处理函数，用于处理内存管理错误中断。在这个函数内部，程序进入了一个无限循环，也就是说，一旦发生了内存管理错误中断，程序就会停止在这个函数中。
实验现象由于在main()函数中尝试向受保护的内存地址写入数据，这将触发内存管理错误中断，然后程序将进入MemManage_Handler()函数，并在该函数中无限循环。因此，程序的实际效果将是一旦开始运行，就会“冻结”在MemManage_Handler()函数中。
如上图的实验现象正好符合我们设置的需求。
## 问题
1、如何区分特权用户和普通用户的访问区域？
具体来说，我们可以通过MPU给特权用户和普通用户设定不同的内存区域，分配不同的访问权限。比如，特权用户可以访问一个既能读也能写的内存区域，而普通用户只能访问一个只能读或只能写的区域。这样，如果普通用户试图进入特权用户的内存区域，系统就会直接拒绝这个请求，保护特权用户的数据不被非法访问。
在实际编程时，我们需要写一些代码来设置MPU，来区分不同用户可以访问的区域。这通常涉及到对MPU内部设置的读写操作，以定义哪些区域允许访问，哪些区域被限制。
2、如何使用MPU监测堆和栈的溢出情况以确保系统安全？
- 1.配置MPU区域
- 划分内存区域: 将内存划分为多个区域，分别用于极其重要的任务（如操作系统、关键应用程序、堆、栈等）。
- 设置属性: 为每个区域设置访问权限。例如，可以将堆和栈区域设为可读写，但不可执行。其他重要区域，例如程序代码区域，应该为只读，并且不可写。
- 2.监测堆和栈的使用
- 栈溢出监测: 在栈的底部设置一个保护区域，通常是一个无效的内存地址。通过监测这些地址的访问情况，可以检测到栈的溢出。如果系统访问了保护区域，可以及时报警并采取措施（如重启系统）。
- 堆溢出监测: 在堆内存分配中，可以在每次分配之前和之后插入控制代码，以检查当前的堆指针和堆边界。如果堆指针越界并触及保护区域，则表示发生了堆溢出，可以记录相关信息并进行处理。
- 3.硬件异常处理
- 异常处理: 通过MPU，如果系统接收到访存错误的异常（例如访问被保护的内存区域），可以触发相应的中断服务程序（ISR）。在ISR中，可以实现错误日志记录、系统重启或进入安全模式等功能。
## 总结
这篇帖子主要介绍了内存保护单元（MPU）的核心功能及其相关寄存器的详细信息。MPU 是一种硬件组件，主要用于系统内存管理，以提高系统的安全性和稳定性。MPU通过为不同的内存区域设置访问权限，限制应用程序对系统内存的访问，从而防止错误或恶意代码的运行对系统造成影响。
同时，内存保护单元（MPU）是现代计算系统中不可或缺的组成部分，它通过提供灵活的内存访问控制和保护机制，增强了系统的安全性和稳定性。合理配置MPU对于构建高可靠、高安全性的嵌入式和实时系统至关重要。
以上就是本次分享的全部内容，有关MPU的相关内容，欢迎各位讨论交流。
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