估計(jì)大家經(jīng)?？匆?a target="_blank">MCU、MPU、MMU等這類縮寫詞，你們了解MPU嗎？

1寫在前面

不知道大家有沒有關(guān)注過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，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。如果沒有啟用MPU，則等同于系統(tǒng)中沒有配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)訪問其它任務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū)，從而把任務(wù)隔開。

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，如，堆棧溢出，數(shù)組越界。

此外，還可以通過MPU設(shè)置存儲(chǔ)器regions的其它訪問屬性，比如，是否緩區(qū)，是否緩沖等。

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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，也不敢保證沒有漏網(wǎng)之魚。

---來(lái)自CM3內(nèi)核翻譯作者

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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”（即沒有MPU時(shí)的全部地址空間），不過它是只能由特權(quán)級(jí)享用。在啟用MPU后，就不得再訪問定義之外的地址區(qū)間，也不得訪問未經(jīng)授權(quán)的region。否則，將以“訪問違例”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，這里也簡(jiǎn)單說幾點(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，通過訪問它的若干寄存器來(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，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);}