管理STM32 MCU中的内存保护单元

1前言

本应用笔记介绍如何管理 STM32 产品中的内存保护单元（MPU）。MPU 是用于存储器保护的可选组件。STM32 微控制器（MCU）中嵌入 MPU 之后变得更稳健可靠。在使用 MPU 之前，必须对其进行编程并加以启用。如果 MPU 没有启用，则存储系统的行为不会变化。

2概述

MPU 可以使嵌入式系统更加稳健和安全：• 禁止用户应用程序破坏关键任务（例如操作系统核心）使用的数据• 将 SRAM 存储区域定义为非可执行（禁止执行 XN），以防止代码注入攻击• 修改存储访问属性MPU可最多保护16个内存区域。在 Armv6、Armv7 架构（Cortex-M0+、M3、M4、M7）下，这些区域可以依次拥有 8 个子区域（前提是区域至少有 256 字节）)。

在 STM32 中，受保护区域的确切数量可能因内核和器件而有所不同，请参阅 Cortex-M33 MPU 寄存器获取详细信息。子区域的大小都是相等的，可以根据子区域号进行启用或禁用。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 字节的子区域对应一个 256 字节的区域。区域的编号为 0 至 15。

此外，还有一处默认区域，其 id 为-1。所有编号 0-15 的存储区域的优先级高于默认区域。这些区域可以重叠，也可以嵌套。区域 0-15 的优先级由低到高，这也决定了区域重叠的方式。优先级是固定的，不可更改。在 Armv8 架构（Cortex-M33）中，使用起始地址和终止地址来定义区域，使开发人员能够以灵活、简单的方式组织这些区域。

此外，正是区域大小的可灵活配置得到提升，故Cortex-M33就没有子区域的概念了。下图显示的示例包含六个区域。该示例显示区域 4 与区域 0 和 1 重叠。区域 5 完全包含在区域 3 内。因为优先级是递增的，所以重叠区域（橙色）优先。因此，如果区域 0 是可写的，而区域 4 不可写，那么位于区域 0 和区域 4 重叠部分的地址为不可写。

Conclusion:

在 Armv8 架构（Cortex-M33）中，现在不允许区域重叠。由于 MPU 区域的定义更加灵活，因此没有必要重叠MPU 区域。 

MPU 是统一的，意味着没有单独的区域用于数据和指令。

MPU 还可以用于定义其他存储器属性（如可缓存性），可以导出到系统级缓存单元或存储存控制器。Arm 架构中的存储器属性设置可以支持两种级别的缓存：内部缓存和外部缓存。STM32F7 和 STM32H7 系列仅支持一种级别的缓存（L1-缓存）。 

缓存控制由缓存控制寄存器实现全局控制，但 MPU 可以指定缓存策略以及区域是否可缓存。

2.1存储器模型 

在 STM32 产品中，处理器具有固定的默认存储器映射，可提供最多 4 Gb 的可寻址存储器。

3Cortex-M0+/M3/M4/M7 

存储器类型、寄存器和属性

存储器映射和 MPU 编程将存储器映射分为多个区域。每个区域都有已定义的存储器类型和存储器属性。存储器类型和属性决定该区域的访问行为。

3.1 存储器类型

有三种常见的存储器类型： 

• 普通存储器：允许 CPU 以有效方式安排字节、半字和字的加载和存储（编译器不了解存储器区域类型）。对于普通存储器区域，CPU 不一定按照程序中列出的顺序执行加载/存储操作。 

• 器件存储器：在器件区域内，负载和存储是严格按照顺序进行的。这是为了确保以正确的顺序设置寄存器。 

• 强排序存储器：所有操作始终按以编程方式列出的顺序执行，CPU 会等待加载/存储指令执行（有效的总线访问）结束，然后执行程序流中的下一条指令。这可能导致性能损失。

3.2 存储器属性

区域的属性与大小寄存器（MPU_RASR）是设置所有存储器属性的地方。该表显示了 MPU_RASR 寄存器中对于区域的属性和大小的简要描述。

前一个表格中的参数详情如下：

• XN 标志位控制代码的执行。为了在区域内执行指令，特权级别必须有读访问权限，而 XN 必须为 0。否则，会产生 MemManage 报错。 

• 数据访问权限（AP）字段定义存储区域的 AP。

下表对访问权限进行了说明：

• S 字段面向可共享的存储区域：存储系统在一个有多个总线主控的系统（例如，一个处理器带一个 DMA 控制器）中提供总线主控之间的数据同步。强排序的存储器始终可共享。如果多个总线主控可以访问一个不可共享的存储区域，软件必须确保总线主控之间的数据一致性。STM32F7 系列和 STM32H7 系列不支持硬件一致性。S 字段相当于不可缓存的存储器。 

• TEX、C 和 B 位用于定义区域的缓存属性，以及（在某种程度上）可共享性。按下表对其进行编码。

在 STM32 微控制器中加入 MPU 使其稳健、可靠，而且在某些情况下更安全 - 防止应用程序任务访问或破坏其他任务使用的堆栈和数据存储器。该应用笔记描述了不同的存储器属性、类型和 MPU 寄存器。其中还提供了 MPU（使用 STM32Cube HAL）设置示例，以说明如何配置 STM32 MCU 中的 MPU。如需详细了解 MPU 寄存器，请参阅 Cortex 内核编程手册。本应用笔记内容较长，篇幅有限仅展示部分，完整内容请点击“阅读原文”下载原文档。

审核编辑：汤梓红