管理STM32 MCU中的內存保護單元

1前言

本應用筆記介紹如何管理 STM32 產(chǎn)品中的內存保護單元（MPU）。MPU 是用于存儲器保護的可選組件。STM32 微控制器（MCU）中嵌入 MPU 之后變得更穩(wěn)健可靠。在使用 MPU 之前，必須對其進行編程并加以啟用。如果 MPU 沒有啟用，則存儲系統(tǒng)的行為不會變化。

2概述

MPU 可以使嵌入式系統(tǒng)更加穩(wěn)健和安全：? 禁止用戶應用程序破壞關鍵任務（例如操作系統(tǒng)核心）使用的數(shù)據(jù)? 將 SRAM 存儲區(qū)域定義為非可執(zhí)行（禁止執(zhí)行 XN），以防止代碼注入攻擊? 修改存儲訪問屬性MPU可最多保護16個內存區(qū)域。在 Armv6、Armv7 架構（Cortex-M0+、M3、M4、M7）下，這些區(qū)域可以依次擁有 8 個子區(qū)域（前提是區(qū)域至少有 256 字節(jié)）)。

在 STM32 中，受保護區(qū)域的確切數(shù)量可能因內核和器件而有所不同，請參閱 Cortex-M33 MPU 寄存器獲取詳細信息。子區(qū)域的大小都是相等的，可以根據(jù)子區(qū)域號進行啟用或禁用。因為最小區(qū)域大小是由緩存行長度（32 字節(jié)）驅動的，所以 8 個 32 字節(jié)的子區(qū)域對應一個 256 字節(jié)的區(qū)域。區(qū)域的編號為 0 至 15。

此外，還有一處默認區(qū)域，其 id 為-1。所有編號 0-15 的存儲區(qū)域的優(yōu)先級高于默認區(qū)域。這些區(qū)域可以重疊，也可以嵌套。區(qū)域 0-15 的優(yōu)先級由低到高，這也決定了區(qū)域重疊的方式。優(yōu)先級是固定的，不可更改。在 Armv8 架構（Cortex-M33）中，使用起始地址和終止地址來定義區(qū)域，使開發(fā)人員能夠以靈活、簡單的方式組織這些區(qū)域。

此外，正是區(qū)域大小的可靈活配置得到提升，故Cortex-M33就沒有子區(qū)域的概念了。下圖顯示的示例包含六個區(qū)域。該示例顯示區(qū)域 4 與區(qū)域 0 和 1 重疊。區(qū)域 5 完全包含在區(qū)域 3 內。因為優(yōu)先級是遞增的，所以重疊區(qū)域（橙色）優(yōu)先。因此，如果區(qū)域 0 是可寫的，而區(qū)域 4 不可寫，那么位于區(qū)域 0 和區(qū)域 4 重疊部分的地址為不可寫。

Conclusion:

在 Armv8 架構（Cortex-M33）中，現(xiàn)在不允許區(qū)域重疊。由于 MPU 區(qū)域的定義更加靈活，因此沒有必要重疊MPU 區(qū)域。?

MPU 是統(tǒng)一的，意味著沒有單獨的區(qū)域用于數(shù)據(jù)和指令。

MPU 還可以用于定義其他存儲器屬性（如可緩存性），可以導出到系統(tǒng)級緩存單元或存儲存控制器。Arm 架構中的存儲器屬性設置可以支持兩種級別的緩存：內部緩存和外部緩存。STM32F7 和 STM32H7 系列僅支持一種級別的緩存（L1-緩存）。?

緩存控制由緩存控制寄存器實現(xiàn)全局控制，但 MPU 可以指定緩存策略以及區(qū)域是否可緩存。

2.1存儲器模型?

在 STM32 產(chǎn)品中，處理器具有固定的默認存儲器映射，可提供最多 4 Gb 的可尋址存儲器。

3Cortex-M0+/M3/M4/M7?

存儲器類型、寄存器和屬性

存儲器映射和 MPU 編程將存儲器映射分為多個區(qū)域。每個區(qū)域都有已定義的存儲器類型和存儲器屬性。存儲器類型和屬性決定該區(qū)域的訪問行為。

3.1 存儲器類型

有三種常見的存儲器類型：?

? 普通存儲器：允許 CPU 以有效方式安排字節(jié)、半字和字的加載和存儲（編譯器不了解存儲器區(qū)域類型）。對于普通存儲器區(qū)域，CPU 不一定按照程序中列出的順序執(zhí)行加載/存儲操作。?

? 器件存儲器：在器件區(qū)域內，負載和存儲是嚴格按照順序進行的。這是為了確保以正確的順序設置寄存器。?

? 強排序存儲器：所有操作始終按以編程方式列出的順序執(zhí)行，CPU 會等待加載/存儲指令執(zhí)行（有效的總線訪問）結束，然后執(zhí)行程序流中的下一條指令。這可能導致性能損失。

3.2 存儲器屬性

區(qū)域的屬性與大小寄存器（MPU_RASR）是設置所有存儲器屬性的地方。該表顯示了 MPU_RASR 寄存器中對于區(qū)域的屬性和大小的簡要描述。

前一個表格中的參數(shù)詳情如下：

? XN 標志位控制代碼的執(zhí)行。為了在區(qū)域內執(zhí)行指令，特權級別必須有讀訪問權限，而 XN 必須為 0。否則，會產(chǎn)生 MemManage 報錯。?

? 數(shù)據(jù)訪問權限（AP）字段定義存儲區(qū)域的 AP。

下表對訪問權限進行了說明：

? S 字段面向可共享的存儲區(qū)域：存儲系統(tǒng)在一個有多個總線主控的系統(tǒng)（例如，一個處理器帶一個 DMA 控制器）中提供總線主控之間的數(shù)據(jù)同步。強排序的存儲器始終可共享。如果多個總線主控可以訪問一個不可共享的存儲區(qū)域，軟件必須確?？偩€主控之間的數(shù)據(jù)一致性。STM32F7 系列和 STM32H7 系列不支持硬件一致性。S 字段相當于不可緩存的存儲器。?

? TEX、C 和 B 位用于定義區(qū)域的緩存屬性，以及（在某種程度上）可共享性。按下表對其進行編碼。

在 STM32 微控制器中加入 MPU 使其穩(wěn)健、可靠，而且在某些情況下更安全 - 防止應用程序任務訪問或破壞其他任務使用的堆棧和數(shù)據(jù)存儲器。該應用筆記描述了不同的存儲器屬性、類型和 MPU 寄存器。其中還提供了 MPU（使用 STM32Cube HAL）設置示例，以說明如何配置 STM32 MCU 中的 MPU。如需詳細了解 MPU 寄存器，請參閱 Cortex 內核編程手冊。本應用筆記內容較長，篇幅有限僅展示部分，完整內容請點擊“閱讀原文”下載原文檔。

審核編輯：湯梓紅