ARM学习（42）CortexM3/M4 MPU配置

笔者之前学习过CortexR5的MPU配置，现在学习一下CortexM3/M4 MPU配置

1、背景介绍

笔者在工作中遇到NXP MPU在访问异常地址时，就会出现总线挂死，所以需要MPU抓住异常，就需要配置MPU。具体背景情况可以参考ARM学习（41）NXP MCU总线挂死，CPU could not be halted以及无法连接Jink。笔者之前还研究了Cortex-R5的MPU配置。

比如经常出现如下场景：

NXP的MCU使用的是LPC64016系列，是有配置MPU的。功能特点如下：

然后笔者又搜索了一下ST的芯片，主要针对F1和F4系列，F1大部分MCU没有配置MPU，F4基本都配置了MPU。具体得可以去下载ST的MCU手册，ST官网MCU系列，STMCU文档下载地址。

STM32F1系列只有STM32F10xxF、10xxG的才有MPU，比如101xF、103xF或者105xF系列，这些系列有个共同的特点就是Flash大，从768K到1MB。

STM32F4基本都配置MPU，其属于中高端产品。

STM32的产品性能以及内核架构如下图所示。

2、MPU配置介绍

CortexM3、M4的MPU配置主要是几个寄存器的配置，可以配置MPU的region、访问权限和地址大小等属性。

寄存器主要有如下几个：

寄存器名字	访问权限	地址	说明
MPU_Type	RO（只读）	0xE000ED90	说明MPU的region个数，默认是8，不可修改
MPU_CTRL	RW（读写）	0xE000ED94	主要是使能MPU
MPU_RNR	RW（读写）	0xE000ED98	选择使能的MPU region，可选
MPU_RBAR	RW（读写）	0xE000ED9C	MPU 属性以及size配置
MPU_RASR	RW（读写）	0xE000EDA0	MPU保护的基地址配置

接下来具体看一下其配置信息。

2.1 MPU Type

只读寄存器，中间8位有效，可以读出数据来。

实际测试如下：

c 复制代码

printf("mpu region=%d\r\n",(MPU->TYPE >>8)&0xff);

2.2 MPU CTRL

可读可写寄存器，

背景region的作用，如果不打开，默认都不可访问，可以少一个region
NMI以及hardfault中断对mpu的操作
使能MPU的操作

笔者来测试一下BIT2，不打开背景region，然后把region 0的4G区域关闭，然后使能MPU，代码如下：

c 复制代码

    /* Disable MPU */
    ARM_MPU_Disable();
	
	/**省略保护区域配置**/
	
     /* Enable MPU */
    ARM_MPU_Enable(0);

异常代码还一样

c 复制代码

    int* test_data_ptr = ( int*)0xF0000000;
    *test_data_ptr = 0x1234;
    printf("*test_data_ptr=%d\r\n",*test_data_ptr);

测试结果如下：可以看到异常已经抓到，数据地址是0xF0000000，代码地址10000348A，可以在trace32上面看到，说明背景region起作用了，保护了非法地址。

再来看一下，打开region，使得可以全部可以访问，但是异常地址没有保护，代码如下：

c 复制代码

    /* Disable MPU */
    ARM_MPU_Disable();
	
	/**省略保护区域配置**/

     /* Enable MPU */
    ARM_MPU_Enable(MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk | MPU_CTRL_HFNMIENA_Msk);

测试结果如下，总线直接挂死，然后没有任何反应。

结论：

如果是裸机系统，该BIT位可以作为一个背景region，其他region可以保护更多的区域，相当于增加了一个全局region的处理。
如果有操作系统的情况下，可以限制用户对特殊代码的访问。

2.3 MPU RNR

选择对应的region，进行属性和地址配置，往往不用这个寄存器，通过其他方式处理。

2.4 MPU RASR

MPU属性配置寄存器，配置权限访问，以及cacheable，共享等属性。

主要是两个属性：

一个是访问属性，如上图所示
另外一个是cache等属性，如下表所示

TEX	C	B	S	存储器类型	描述说明
000	0	0	1	严格顺序	严格顺序，总是共享
000	0	1	1	设备	共享的设备
000	1	0	0/1	普通	片外或者片内写通cache，不写分配
000	1	1	0/1	普通	片外或者片内写回cache，不写分配
001	0	0	0/1	普通	None-Cacheable
001	0	1	0/1	N/A	N/A
001	1	0	0/1	N/A	N/A
001	1	1	0/1	普通	片外或者片内写回cache，读写分配
010	1	x	0/1	设备	不共享的设备
010	0	1	0/1	N/A	N/A
010	1	x	0/1	N/A	N/A
1BB	A	A	0/1	N/A	Cache Memory，BB是片外，AA是片内

AA and BB	Cache类型
00	None-Cachelable（没有cache）
01	write back，write and read allocate（写回，读写分配cache）
10	write through，no write allocate（写通，不写分配）
11	write back，no write allocate（写回，不写分配）

再来看一下一般的设备如何配置

Type	memory Type	配置信息
ROM/Flash/	Normal memory	TEX=0，C=1，B=0，S=0，没有share，写通cache
01	Normal memory	TEX=0，C=1，B=0，S=1，共享，写通cache
10	Normal memory	TEX=0，C=1，B=1，S=1，共享，写回cache
11	Device	TEX=0，C=0，B=1，S=1，共享Devices

2.5 MPU RBAR

可以通过region字段覆盖 RNR寄存器的region配置，所以减少一个寄存器的操作。

基地址要以容量的大小进行对齐（即基地址可以整除容量），这样设计会让硬件设计简单。
容量的大小最低从32开始，都是2的次幂，用编码表示其大小。容量=1<< (容量编码+1)

c 复制代码

#define ARM_MPU_REGION_SIZE_32B      ((uint8_t)0x04U) ///!< MPU Region Size 32 Bytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_64B      ((uint8_t)0x05U) ///!< MPU Region Size 64 Bytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_128B     ((uint8_t)0x06U) ///!< MPU Region Size 128 Bytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_256B     ((uint8_t)0x07U) ///!< MPU Region Size 256 Bytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_512B     ((uint8_t)0x08U) ///!< MPU Region Size 512 Bytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_1KB      ((uint8_t)0x09U) ///!< MPU Region Size 1 KByte
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_2KB      ((uint8_t)0x0AU) ///!< MPU Region Size 2 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_4KB      ((uint8_t)0x0BU) ///!< MPU Region Size 4 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_8KB      ((uint8_t)0x0CU) ///!< MPU Region Size 8 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_16KB     ((uint8_t)0x0DU) ///!< MPU Region Size 16 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_32KB     ((uint8_t)0x0EU) ///!< MPU Region Size 32 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB     ((uint8_t)0x0FU) ///!< MPU Region Size 64 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_128KB    ((uint8_t)0x10U) ///!< MPU Region Size 128 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_256KB    ((uint8_t)0x11U) ///!< MPU Region Size 256 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_512KB    ((uint8_t)0x12U) ///!< MPU Region Size 512 KBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_1MB      ((uint8_t)0x13U) ///!< MPU Region Size 1 MByte
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_2MB      ((uint8_t)0x14U) ///!< MPU Region Size 2 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_4MB      ((uint8_t)0x15U) ///!< MPU Region Size 4 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_8MB      ((uint8_t)0x16U) ///!< MPU Region Size 8 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_16MB     ((uint8_t)0x17U) ///!< MPU Region Size 16 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_32MB     ((uint8_t)0x18U) ///!< MPU Region Size 32 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_64MB     ((uint8_t)0x19U) ///!< MPU Region Size 64 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_128MB    ((uint8_t)0x1AU) ///!< MPU Region Size 128 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_256MB    ((uint8_t)0x1BU) ///!< MPU Region Size 256 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_512MB    ((uint8_t)0x1CU) ///!< MPU Region Size 512 MBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_1GB      ((uint8_t)0x1DU) ///!< MPU Region Size 1 GByte
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_2GB      ((uint8_t)0x1EU) ///!< MPU Region Size 2 GBytes
#define ARM_MPU_REGION_SIZE_4GB      ((uint8_t)0x1FU) ///!< MPU Region Size 4 GBytes

3、实际例子测试

笔者来看一下MPU的配置代码。

region号	基地址	长度	属性
0	0x00000000	4G	不可访问，背景region，TEX=0，S=0，C=1，B=0，不共享，写通cache
1	0x00000000	256KB	可访问，TEX=0，S=0，C=1，B=0，不共享，片外或者片内写通cache，不写分配，普通memory
2	0x03000000	64KB	可访问，TEX=0，S=0，C=1，B=0，不共享，片外或者片内写通cache，不写分配，普通memory
3	0x10000000	8MB	只读，TEX=0，S=0，C=1，B=0，不共享，片外或者片内写通cache，不写分配，普通memory
4	0x20000000	128KB	可访问，TEX=0，S=0，C=1，B=0，不共享，片外或者片内写通cache，不写分配，普通memory
5	0x40000000	256MB	可访问，TEX=0，S=1，C=0，B=1，共享Devices，没有cahce
6	0xE0000000	1MB	可访问，EX=0，S=1，C=0，B=1，共享Devices，没有cahce

c 复制代码

void mpu_config()
{
    /* Disable MPU */
    ARM_MPU_Disable();

    /* Region 0 setting: Memory with no access type, not shareable, write trough */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(0, 0x00000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_NONE, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_4GB);

    /* Region 1 setting: Memory with  full access type, not shareable, write trough */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(1, 0x00000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_256KB);

    /* Region 2 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(2, 0x03000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB);

    /* Region 3 setting: Memory with  read-only  access type, not shareable, write trough */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(3, 0x10000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_RO, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_8MB);

    /* Region 4 setting: Memory with  full  access type, not shareable, write trough */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(4, 0x20000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_128KB);

    /* Region 5 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(5, 0x40000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 1, 0, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_256MB);

    /* Region 6 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(6, 0xE0000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 1, 0, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_1MB);

     /* Enable MPU */
    ARM_MPU_Enable(MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk | MPU_CTRL_HFNMIENA_Msk);
}

笔者是基于这款芯片的memory创立的，然后根据芯片的地址等情形，可以确认相关memory的MPU配置属性。

然后笔者还碰到一个问题，之前不了解FW会调用0x03000000 ROM Code 的函数，所以这个区域没有配置，结果就访问异常了。错误类型也是指令访问异常。

笔者尝试配置rom code为只读测试一下，之前配置的时候，可读可写。

结论：配置这样也可以访问。

c 复制代码

    /* Region 2 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(2, 0x03000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 0, 1, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB);

2.6 subregion

再介绍一下subregion，就是一个region区域比较大，会被等分成8份，每份区域可以由一个bit去禁止。

所以可以配置更大的region，然后通过subregion再去细分。

这样笔者再新增一个region，然后禁止某些subregion，来做一些测试。

如下图代码所示，笔者打开了一个异常区域，0xF0000000，但是该区域的前128KB禁止，意味着其受背景region保护，访问进异常，但是其他区域可以访问，会导致总线挂死。

c 复制代码

    /* Region 7 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(7, 0xF0000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 1, 0, 1, 1, ARM_MPU_REGION_SIZE_1MB);

如下图所示，该区域访问被抓住现场，地址0x100034AE，数据地址：0xF0000000。

如果全部区域都访问，则总线挂死，无法调试。

c 复制代码

    /* Region 6 setting: Memory with  full  access type, shareable, none-cacheable */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(7, 0xF0000000);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 1, 0, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_1MB);

4、参考

1、STM32F1-F4参考手册以及下载
 2、Cortex M3/CM4权威指南
 3、Cortex M3权威指南中文版