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Cortex-M內核的MPU內存保護單元

黃工的嵌入式技術圈 ? 來源:黃工的嵌入式技術圈 ? 2020-03-04 11:17 ? 次閱讀

估計大家經常看見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注過Cortex-M內核的一些內容,在STM32大部分型號中都有MPU。

MPU是Cortex-M的選配件,拿STM32F1來說,STM32F10X_XL系列的芯片才具有這個MPU存儲保護單元,而其他STM32F1芯片沒有。

可能很多人都處于簡單知道,或認識MPU的階段,今天就寫點關于MPU的內容,讓大家進一步認識和了解MPU。

2

認識MPU,及作用

MPU:Memory Protection Unit,內存保護單元。

MPU存儲器保護單元,它可以實施對存儲器(主要是內存和外設寄存器)的保護,以使軟件更加健壯和可靠。在使用前,必須根據需要對其編程。如果沒有啟用MPU,則等同于系統中沒有配MPU。

MPU有如下的能力可以提高系統的可靠性:

阻止用戶應用程序破壞操作系統使用的數據。

阻止一個任務訪問其它任務的數據區,從而把任務隔開。

可以把關鍵數據區設置為只讀,從根本上消除了被破壞的可能。

檢測意外的存儲訪問,如,堆棧溢出,數組越界。

此外,還可以通過MPU設置存儲器regions的其它訪問屬性,比如,是否緩區,是否緩沖等。

3

了解野指針

上面簡單認識了一下MPU的功能,其實它有個重要的功能就是對指針訪問的內存具有保護作用。所以,這里讓大家認識一下指針和野指針。

回顧一下, 什么是指針?指針在內存中實際上是一個無符號整數(unsigned int),但是它的值被賦予特殊的解釋:表示變量或函數的地址。所以才被形象地稱為“指針”,就好像指向誰家似的。 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體——數據和代碼。 而所謂“野指針”, 就是指某個指針變量的值因故超出合法的范圍, 使其“槍口” 亂指。 程序邏輯錯誤、 數組越界、 堆棧溢出、 指針未經初始化、 對緩存與緩沖的處理不當、 多任務環境中的紊亂條件, 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存, 則被讀取或修改的位置是不可預料的。 前者導致讀回來的都是亂掉的數據, 后者則會破壞未知用途的數據。 這常常導致系統發生莫名其妙的功能紊亂, 嚴重時會使系統毫無征兆,沒有理由地失控、死機。

野指針就像“肉里的刺, 醬里的蛆” 一般: 一個野指針就足以毀掉整個系統, 而且極其隱蔽, 很難通過癥狀來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,并且也能導致相同的癥狀)。對于通常的單片機系統,是沒有任何辦法來防止野指針的破壞的, 完全靠程序員的素質和自律。 但智者千慮, 必有一失。 尤其是當程序規模變得很大時,復雜度會呈指數上升,千頭萬緒糾纏不清, 就算是謹慎如諸葛亮,聰明如比爾?蓋茨的天才,也不敢保證沒有漏網之魚。

---來自CM3內核翻譯作者

4

進一步了解MPU

MPU在執行其功能時,是以所謂的“region區域”為單位的。一個region其實就是一段連續的地址,只是它們的位置和范圍都要滿足一些限制(對齊方式,最小容量等)。

CM3的MPU共支持8個regions,還允許把每個region進一步劃分成更小的“子region”。此外,還允許啟用一個“背景region”(即沒有MPU時的全部地址空間),不過它是只能由特權級享用。在啟用MPU后,就不得再訪問定義之外的地址區間,也不得訪問未經授權的region。否則,將以“訪問違例”處理,觸發MemManage fault。

MPU定義的regions可以相互交迭。如果某塊內存落在多個region中,則訪問屬性和權限將由編號最大的region來決定。比如,若1號region與4號region交迭,則交迭的部分受4號region控制。

MPU可用于保護多達16個內存區域。如果區域至少為256字節,那么這些區域可以有8個子區域。子區域的大小總是相等的,可以通過子區域號啟用或禁用。因為最小區域大小是由緩存行長度(32字節)驅動的,所以8個32字節的子區域對應256字節大小。

5

MPU學習資料

上面只是進一步讓大家了解了MPU內存保護單元,對于想要深入理解的朋友就需要參看更多相關資料。

對學習MPU編程,就需要對MPU相關寄存器進行掌握,MPU的寄存器其實相對來說也不多,這里再Cotex-M內核技術參考手冊,以及STM32應用筆記Managing memory protection unit (MPU) in STM32 MCUs、編程手冊中都有講述關于MPU的知識。

為方便大家,這里也簡單說幾點。

1.STM32內存映射

2.MPU 的寄存器組

操作MPU是就如操作普通STM32外設一樣,通過訪問它的若干寄存器來實現的,MPU寄存器如下表所示。

MPU寄存器看起來比較復雜,那是自然了,畢竟已經上升到存儲器管理的高度。但如果我們胸有成竹——已經想好了對存儲器如何劃分,這就只是一些繁瑣和考驗細心的體力活。典型情況下,在啟用MPU的系統中,都會有下列的regions。

特權級的程序代碼(如OS內核和異常服務例程)

?用戶級的程序代碼

?特權級程序的數據存儲器,位于代碼區中(data_stack)

?用戶級程序的數據存儲器,位于代碼區中(data_stack)

?通用的數據存儲器,位于其它存儲器區域中(如, SRAM

?系統設備區,只允許特權級訪問,如NVIC和MPU的寄存器所有的地址區間

?常規外設區,如UARTADC

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);}

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