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关于MPU的笔记

2023-05-16

MPU（memory protection unit）内存保护单元。这些系统必须提供一种机制来保证正在运行的任务不破坏其他任务的操作。即要防止系统资源和其他一些任务不受非法访问。嵌入式系统有专门的硬件来检测和限制系统资源的访问。它能保证资源的所有权，任务需要遵守一组由操作环境定义的、由硬件维护的规则，在硬件级上授予监视和控制资源程序的特殊权限。受保护系统主动防止一个任务使用其他任务的资源。因此使用硬件主动监视系统比协调加强的软件历程，提供了更好的保护。

MPU的主要作用如下：

1、设置不同存储区域的存储器访问权限（管理员级、用户级）；

2、设置存储器内存和外设属性（可缓存、可缓冲、可共享）。

MPU的优点如下：

1、阻止用户应用程序破坏操作系统使用的数据；

2、阻止一个任务访问其他任务的数据区，从而隔离任务；

3、把关键数据区域设置为只读，从根本上解决被破坏的可能；

4、检测意外的存储访问，如堆栈溢出、数组越界等；

5、将SRAM或RAM空间定义为不可执行，防止代码攻击，提高嵌入式的安全性，使系统更安全。

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MPU可配置8/16个内存区域，每个区域最小要求为256字节，每个区域还可以配置8个子区域（但需要大小一致）。在保护的16个内存空间内，有可能会出现保护区域的重叠或嵌套，优先级从0~15越来越大。下图为MPU内存地址映射的区域。

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对于配置好的MPU，我们不可以访问定义外的地址空间，也不能对配置好的区域进行未经授权的操作，否则属于非法访问，会触发错误异常（MemManage）。下图为几种权限类型。

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接下来介绍三种内存类型（访问属性）

访问属性分为：Normal memory, Device memory, Strongly ordered memory。

Normal memory（ROM, FLASH, SRAM）：CPU以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，CPU对于这种内存区的加载或存储不一定要按照程序代码顺序执行。

Device memory：加载、存储要严格按照次序进行，确保寄存器按照正确顺序设置。

Strongly ordered memory：完全按照代码顺序执行，会导致性能下降。

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Cache（高级缓存）：

缓存(Cache)是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据，因此速率很快。缓存分为D-Cache（数据缓存）和I-Cache（指令缓存）。支持4种操作：使能、禁止、清空、失能。

CPU访问内存可以直接访问，也可以通过缓存访问的，还可以通过DMA访问。

对于写操作，如果CPU要写的SRAM数据在缓存里已经开辟了对应的数据，叫写命中(Cache hit)；反之则称为写Cache Miss。对于读操作，如果CPU要读的SRAM数据在缓存里已经开辟了对应的数据，叫读命中(Cache hit)；反之则称为读Cache Miss。

对于Core读Cache，cache hit直接读取数据即可；对于Cache Miss有两种处理方法：1、(Read Through)直接用内存读出数据，不通过Cache读取，2、(Read Allocate)把数据从内存加载到Cache，再从Cache中读取。

对于Core读Cache。cache hit有两种处理方法：1、(Write Through)直接写到内存中并加载到cache中，内存和擦车同步更新；2、(Write Back)数据更新时只写入cache，只在数据被替换的cache数据才写入内存，写入速度快。cache miss有两种处理方法：1、(Write allocate)先把要写的数据加载到cache，对cache写入后再写入内存；2、(No Write Allocate)直接写入内存，不用Cache。

用软件对cache进行维护

1、Clean：cache已变化，SRAM数据未更新。DMA搬运数据前，将Cache相应数据更新到SRAM（用函数SCB_CleanCache / SCB_CleanInvalidateDCache）

2、Invalidate：SRAM数据已变化，Cache未更新。DMA搬运数据后，Cache数据无效，需要从SRAM获取（用函数SCB_InvalidateDCache / SCB_CleanInvalidateDCache）

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MPU

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