STM32基础 - MPU

耕者思学

1120人浏览 · 2025-10-12 17:47:17

耕者思学 · 2025-10-12 17:47:17 发布

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- STM32 - MPU

STM32 - MPU

认识 MPU

MPU(Memory Protection Unit): MPU 内存保护单元，是ARM架构中用于保护系统资源的硬件模块，通过划分内存区域，并对各个区域配置不同的访问权限（读/写/不可访问）、缓存策略（Strongly-ordered、Cacheable）和执行限制（Execute Never）等属性。适用于Cortex-M0+/M3/M4/M7等多款处理器。
MPU通过协处理器CP15的寄存器配置8个保护域，每个域可管理4KB至4GB的物理空间，起始地址需为域大小的整数倍。内存访问时若违反规则将触发异常信号，异常处理程序根据类型跳转至相应服务例程，Cortex-M系列支持最多16个内存区域保护，区域可重叠并遵循优先级机制（域7最高）。
在Armv8架构中采用起始/终止地址定义区域，取消子区域概念且禁止重叠。

可配置属性

通过MPU区域初始化结构体及其参数来具体看下可配置哪些属性。

uint8_t Enable : 启用或禁用指定区域的MPU配置

MPU_REGION_ENABLE: 启用
MPU_REGION_DISABLE: 禁用

uint8_t Number: 要配置的MPU区域编号，STM32通常有8个区(0_{7)，高端芯片可能会有16个区(0}15)

MPU_REGION_NUMBER0 ~ MPU_REGION_NUMBER7
MPU_REGION_NUMBER8 ~ MPU_REGION_NUMBER15 M4 及以上
如果在配置过程有重叠或者包含的情况，区域越高优先级越高，也就是0最低，15最高。
另外还有一个背景区地(default region)，序号为-1，用来定义未被MPU配置的内存区域的访问规则，所以优先级不0还低。

uint8_t BaseAddress: 要配置区域的起始地址

H7地址范围是4GB(0x00000000~0xFFFFFFFF)，起始地址只要在这个范围内且符合对齐标准就行，没有固定值
也可以理解为必须能够被 size 的值整除

uint8_t size: 从起始地址开始要保护的内存大小

MPU_REGION_SIZE_32B
MPU_REGION_SIZE_64B
…
MPU_REGION_SIZE_4GB

uint8_t SubRegionDisable: 指定该区域中要禁用的子区域，禁用的区域不受规则保护

值在 0x00_{0xFF(00000000}11111111)，每个区域共8个子区域，1为禁用，0为启用。
最低位代表子区域0,最高位代表子区域7

uint8_t TypeExtField: 用于细化内存类型

MPU_TEX_LEVEL0: 普通内存,访问普通的数据和程序代码等，它的访问顺序可以被改变。访问该内存区域的数据会被缓存，并且可以使用通用的缓存策略，如写回、写直通等。
- 此类型可以使CPU以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，从而提高系统的性能。
MPU_TEX_LEVEL1: 设备内存,访问外设的数据缓冲区和寄存器等，它的访问顺序可以被改变。访问该内存区域的数据会被缓存，但缓存策略不同于普通的数据缓存。
- 此类型可以确保外设的操作正确执行，防止出现数据错位或不完整的情况。
MPU_TEX_LEVEL2: 强序内存,访问特定的外设寄存器和共享内存区域等，它的访问顺序不能被改变。访问该内存区域的数据会直接被发送到总线上，而不会被缓存。
- 此类型适用于对内存访问顺序有严格要求的场景，确保操作的正确性和可靠性。

uint8_t AccessPermission: 用来配置访问权限

MPU_REGION_NO_ACCESS ((uint8_t)0x00): 禁止任何访问，两种模式都不能读写。
MPU_REGION_PRIV_RW ((uint8_t)0x01): 仅特权模式可读写，用户模式无权限。
MPU_REGION_PRIV_RW_URO ((uint8_t)0x02): 特权模式可读写，用户模式仅可读。
MPU_REGION_FULL_ACCESS ((uint8_t)0x03): 全权限访问（特权和用户模式均可读写）。
MPU_REGION_PRIV_RO ((uint8_t)0x05): 仅特权模式可读，用户模式无权限。
MPU_REGION_PRIV_RO_URO ((uint8_t)0x06): 特权模式和用户模式均只读。

uint8_t DisableExec: 是否禁止指令执行，防止从数据区域执行代码。

MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE ((uint8_t)0x00): 允许
MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE ((uint8_t)0x01): 禁止

uint8_t IsShareable: 是否为可共享内存（多总线 / 多核心访问时的数据一致性控制）。

MPU_ACCESS_SHAREABLE ((uint8_t)0x01): 可共享
MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE ((uint8_t)0x00): 不可共享

uint8_t IsCacheable: 是否可缓存（通过 CPU 缓存提升访问速度）。

MPU_ACCESS_CACHEABLE ((uint8_t)0x01):
MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE ((uint8_t)0x00):

uint8_t IsBufferable: 是否可缓冲（通过写缓冲区优化写操作性能）。

MPU_ACCESS_BUFFERABLE ((uint8_t)0x01):
MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE ((uint8_t)0x00):

配置步骤

禁用MPU，确保在配置期间不会产生任何干扰。

函数：void HAL_MPU_Disable(void);

配置某个或多个区域的MPU保护参数，全部参数如下

是否使能 - 区域编号 - 区域基址 - 区域大小 - 配置子区域 - 内存类型 - 访问权限 - 是否允许执行指令 - 是否允许共享 - 是否可缓存 - 是否可缓冲
函数：void HAL_MPU_ConfigRegion(const MPU_Region_InitTypeDef *MPU_Init);

使用能MPU并且配置异常处理

函数：void HAL_MPU_Enable(uint32_t MPU_Control);

void HAL_MPU_Enable(uint32_t MPU_Control)
{
  /* 启用 MPU */
  MPU->CTRL = MPU_Control | MPU_CTRL_ENABLE_Msk;
  /* 启用内存异常 */
  SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
  /* 确保 MPU 配置生效 */
  __DSB();	// 函数为汇编编写，暂时不去深度学习
  __ISB();  // 函数为汇编编写，暂时不去深度学习
}

参数 MPU_Control 介绍
- MPU_Control 用于配置 MPU 在特殊场景下的工作模式，这些场景包括：硬 fault（HardFault）、NMI（不可屏蔽中断）、FAULTMASK（ fault 屏蔽）以及特权模式对 “默认内存区域” 的访问。参数的取值决定了 MPU 在这些场景下是否生效，以及特权模式对未被 MPU 区域覆盖的内存（默认区域）的访问规则。
- 直接行为就是MPU_Control参数通过配置MPU_CTRL寄存器的两个关键位（HFNMIENA和PRIVDEFENA），控制 MPU 在 “异常场景” 和 “特权模式访问默认区域” 时的行为，
  - HFNMIENA（HardFault/NMI Enable）：决定硬 fault/NMI 时 MPU 是否生效；
  - PRIVDEFENA（Privileged Default Enable）：决定特权模式访问默认区域时是否受 MPU 控制。
- MPU_HFNMI_PRIVDEF_NONE: 对应寄存器配置：MPU_CTRL寄存器中 HFNMIENA=0 且 PRIVDEFENA=0。
  - 当发生硬 fault 或 NMI 时，MPU 被禁用（HFNMIENA=0），此时 CPU 访问内存不受 MPU 规则限制（直接使用默认内存映射）。
  - 特权模式访问未被任何 MPU 区域覆盖的内存（默认区域）时，不受 MPU 控制（PRIVDEFENA=0），遵循内核默认规则（通常允许无限制访问）。
- MPU_HARDFAULT_NMI: MPU_CTRL寄存器中 HFNMIENA=1 且 PRIVDEFENA=0。
  - 发生硬 fault 或 NMI 时，MPU 仍保持启用（HFNMIENA=1），内存访问仍受 MPU 规则限制（确保异常处理过程中也不违反内存保护）。
  - 同MPU_HFNMI_PRIVDEF_NONE，特权模式访问默认区域不受 MPU 控制。
- MPU_PRIVILEGED_DEFAULT: MPU_CTRL寄存器中 HFNMIENA=0 且 PRIVDEFENA=1。
  - 发生硬 fault 或 NMI 时，MPU 被禁用（同MPU_HFNMI_PRIVDEF_NONE）。
  - 特权模式访问未被 MPU 区域覆盖的内存（默认区域）时，受 MPU 控制（PRIVDEFENA=1），即默认区域的访问权限由 MPU 的 “默认映射规则” 约束（而非完全放开）。
- MPU_PRIVILEGED_DEFAULT: MPU_CTRL寄存器中 HFNMIENA=1 且 PRIVDEFENA=1。
  - 发生硬 fault 或 NMI 时，MPU 仍启用（同MPU_HARDFAULT_NMI），内存访问受 MPU 规则限制。
  - 特权模式访问默认区域时，受 MPU 控制（同MPU_PRIVILEGED_DEFAULT）。
- 实际使用时，需根据系统对 “异常安全性” 和 “特权访问限制” 的要求选择参数，通常高安全性场景优先选择MPU_HFNMI_PRIVDEF，简化场景可选择MPU_HFNMI_PRIVDEF_NONE。

示例

/**
	* @brief  STM32H743VIT6 MPU 配置示例
	* @brief  示例中会有不同功能的配置
	* @retval 无
*/
void MPU_Config(void){
	MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct = {0};  // 定义 MPU 配置属性结构体

	// 第一步：禁用 MPU
	HAL_MPU_Disable();

	// 第二步：配置MPU参数
	/*区域0：闪存区域(代码区域)，只读，可执行*/
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;  // 启用 MPU
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;  // 区域0
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x08000000;  // 闪存地址
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_2MB; // 根据实际闪存大小调整
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;  // 全部启用，不禁用子区域
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;  // 设置区域类型
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;  //  禁止任何访问，两种模式都不能读写。
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;  // 允许执行指令
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;  // 不可共享
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;  // 允许缓存
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;  // 禁止缓冲
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);  // MPU 配置函数

	/* 区域1： DTCM RAM (112KB) 完全访问，可执行 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;  // 启用
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;  // 区域1
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x20000000;  // DTCM RAM 固定起始地址
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_128KB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域2: AXI SRAM (384KB)，完全访问，不可执行 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER2;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000;  // AXI SRAM Base Address
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域3: SRAM1-4（最大512KB），完全访问，不可执行 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER3;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x30000000;  // SRAM1-4 Base Address
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_1MB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域4：外围设备（AHB1/2、APB1/2），仅限特权访问 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER4;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x40000000;  // Peripheral Base Address
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512MB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_PRIV_RW;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域5:QSPI内存（如果使用）-只读，可执行 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER5;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x90000000;  // QSPI Memory Base Address
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_128MB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域6:SDRAM（如果使用），完全访问，不可执行 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER6;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0xD0000000;  // SDRAM Base Address
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_64MB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_NOT_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	/* 区域7：系统和核心外围设备，仅限特权访问 */
	MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
	MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER7;
	MPU_InitStruct.BaseAddress = 0xE0000000;  // System Peripherals Base
	MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_1MB;
	MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x0;
	MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
	MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_PRIV_RW;
	MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;
	MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_SHAREABLE;
	MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
	MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
	HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

	// 第三步：使能 MPU
	/* Enable the MPU with privileged default access */
	HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}

未有知而不行者，知而不行，只是未知。-- 《传习录》

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