應(yīng)用筆記 | MPU 子區(qū)話題

關(guān)鍵字：MPU， SubRegion

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1 問題起因2 問題解析3 問題小結(jié)

1. 問題起因

有人詢問STM32F7 和STM32H7 系列庫例程中有關(guān)MPU 配置中的下面這句加綠色下劃線的代碼的意思是什么？有何用？

圖1、芯片存儲空間MPU 背景配置

從上面截圖中的紅色框內(nèi)代碼我們不難看出，這里進行MPU 設(shè)置就是將從0 開始的4G 空間，即整個STM32 可尋址空間定義為Strongly Ordered 存儲屬性。且此時MPU Region 編號為0?？纱a注釋上又說只是將未定義的區(qū)域配置為Strongly Ordered，這未定義區(qū)域到底啥意思，該如何理解？難道跟綠色下劃線標(biāo)示的那行代碼有關(guān)系。

那么，這句代碼MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x87; 又是什么意思呢？

要理解這行代碼的意思，我們就有必要了解MPU 的子區(qū)概念【Subregion】。

2.問題解析

所謂子區(qū)【Subregion】，當(dāng)我們對任一存儲空間不小于256B 的區(qū)域【Region】進行MPU 配置時，往往可以把該區(qū)【region】等分為8 個子區(qū)【Subregion】，并可以把當(dāng)前MPU 配置選擇性地針對各個子區(qū)進行排除性設(shè)置。在內(nèi)核里有個關(guān)于MPU 配置的寄存器MPU_RASR,其中有個8 位字段SRD 就是用來設(shè)置各個子區(qū)的MPU 排除性設(shè)置或者說例外性配置。如果某位為0，表示該子區(qū)適用當(dāng)前MPU 配置；如果某位為1，表示該位所對應(yīng)子區(qū)不適用當(dāng)前MPU 配置，即不受當(dāng)前MPU 配置約束。下圖是MPU_RASR 寄存器的描述截圖：

圖2、MPU_RASR寄存器

不妨舉例說一下。假設(shè)我們選擇了某64MB區(qū)域進行MPU設(shè)置，屬性配置如下：

圖3、某特定內(nèi)存MPU配置代碼

基于上面配置，該64MB空間配置為不共享、可緩存、可執(zhí)行程序的MPU存儲屬性【細節(jié)可以核對下圖4，其中C表示Cacheable，B表示Bufferable，S表示Shareable】

圖4、MPU配置屬性對應(yīng)表

這里有針對個別子區(qū)做了MPU屬性排除操作，就是靠下面這句代碼實現(xiàn)的：MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x28;//即二進制00101000

前面說過了，我們可以將大于256B的存儲區(qū)等分為8個子區(qū)并做MPU屬性排除配置。這里的0x28對應(yīng)的8位2進制數(shù)表示各個子區(qū)針對當(dāng)前MPU配置是否被排除在外的情況，若某位為0時表示相應(yīng)子區(qū)適用當(dāng)前MPU配置屬性，為1則不適用當(dāng)前MPU的配置。

結(jié)合前面寄存器描述和上面配置代碼，被排除在外的即不適用當(dāng)前MPU配置的子區(qū)就是下圖5中的兩個地址空間【標(biāo)紅色1的地方】：

圖5、某特定內(nèi)存MPU子區(qū)配置布局

若把上面圖形左轉(zhuǎn)90°即可看明白剛才那個SRD字段的配置值0x28的由來以及地址空間對應(yīng)關(guān)系，SRD的高位對應(yīng)高地址子區(qū)?；谏厦媾渲?，有2個8MB空間是不適用當(dāng)前的MPU配置，即被排除在外了。

我們不妨再看看另一個關(guān)于MPU子區(qū)的示例【來自ARM M7內(nèi)核技術(shù)手冊】。

圖6、帶內(nèi)存重疊的MPU配置

根據(jù)上面信息我們可以得知，MPU配置了2個存儲區(qū)【Region】，其中Region1的地址空間與Region2部分地址空間是重疊的。在Region2中使用到子區(qū)【subregion】,其中與Region1重疊的兩個子區(qū)做了MPU排除處理，即Region2中頭2個子區(qū)的MPU屬性不適用于Region2的MPU配置，這2個子區(qū)的MPU屬性取決于Region1的配置。換言之，Region2的配置對頭2個子區(qū)的MPU屬性沿用了Region1的。

對MPU的區(qū)[Region]及子區(qū)[Subregion]介紹得差不多了，我們繼續(xù)回到最開始那個問題。整個空間4GB被等分為8個子區(qū)，每個子區(qū)500MB?，F(xiàn)在子區(qū)【Subregion】的MPU設(shè)置是這樣的：

MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x87;//10000111B

即有4個子區(qū)做了MPU屬性排除處理【上面紅色1注釋標(biāo)示的】，其它4個子區(qū)【綠色0標(biāo)示出來的】適用Strongly ordered 存儲屬性。我們可以結(jié)合手冊具體看看各個子區(qū)的分布情況。

圖7、4G空間的MPU子區(qū)劃分圖

上圖中紅色區(qū)域并不適用當(dāng)前配置的Strongly ordered 存儲屬性，只有其它綠色區(qū)域適用，他們集中在外部設(shè)備存儲區(qū)?？吹竭@里，有人或許發(fā)現(xiàn)這個MPU配置只是個粗線條的配置，重點對外部存儲區(qū)域做了大致的初始背景配置，即配置為Strongly Ordered屬性。

在實際應(yīng)用中，開發(fā)者往往會根據(jù)實際情況針對外部存儲器做進一步的MPU配置。當(dāng)我們閱讀STM32F7或 STM32H7系例相關(guān)應(yīng)用代碼時，我們會發(fā)現(xiàn)，除了看到開篇提到的的針對整個4G空間的MPU初始配置外，還有諸多針對外部存儲區(qū)的特定MPU配置，比方下面這些就有針對外部SDRAM、QSPI、FMC控制的存儲設(shè)備的MPU配置。主要就Region編號、起始地址、空間大小、Cacheable、Bufferable、Shareable等屬性進行配置?！鞠聢D中打紅色三角形的是針對整個4GB空間的MPU初始配置，其它打勾的是針對特定存儲空間的MPU配置，該區(qū)間的MPU屬性與4GB空間中重合部分的初始配置不一致時以新配置為準(zhǔn)?！?/span>

圖8、STM32H7產(chǎn)品的MPU配置代碼示例

顯然，上面SDRAMQSPIFMC的存儲區(qū)都落在圖7中的綠色區(qū)域空間，因為此時的特定配置所用MPU區(qū)編號都要高于那個粗線條配置的區(qū)編號0。對于MPU配置而言，重疊區(qū)域的MPU配置以更大區(qū)編號的配置為準(zhǔn)。以圖8中64KB的SDRAM配置來看，此時從0xC0000000開始的64KB區(qū)域不再適用Strongly Ordered存儲屬性，而適用Cacheable 、Write Through存儲屬性。

或許有人會問，既然具體應(yīng)用時我們會針對所用存儲設(shè)備做更合適的MPU配置，為什么要事先基于整個4G空間做粗線條配置，對外部存儲空間做Strongly Ordered屬性的初始配置呢？那個粗線條的MPU初始配置豈不多余？

要解釋這個問題，就涉及到另外一個話題，即Cortex M7內(nèi)核的試探性訪問【關(guān)于試探性訪問，這里不做過多解讀，有興趣查看相關(guān)內(nèi)核手冊】。當(dāng)內(nèi)核處理器因發(fā)生試探性訪問去訪問一個不存在的存儲設(shè)備時往往會導(dǎo)致訪問死鎖，顯然這不是我們所希望的。

不過，試探性訪問可以被阻止，即當(dāng)相應(yīng)存儲空間配置為Device或Strongly Ordered屬性時，是不會發(fā)生試探性訪問的。

我們依然以上面提到的64KB的外部SDRAM來看，顯然它往往并沒有占據(jù)整個External Device空間，只是使用了有限的空間。如果說SDRAM所占區(qū)域以外的空間的屬性不是Device或Strongly Ordered，若訪問SDRAM時發(fā)生試探性訪問跳到SDRAM實際容量以外的區(qū)域，此時因無實際存儲設(shè)備就可能出現(xiàn)死鎖之類的異常。為了防止這個問題發(fā)生，就有了上面的事先針對4G空間做了粗線條的MPU配置，并特地將整個外部存儲設(shè)備所對應(yīng)的空間都配置為Strongly Order屬性。

結(jié)合下圖看看，黃色區(qū)域為用戶根據(jù)實際SDRAM容量更新過的MPU配置，綠色部分為事先配置的Strongly Order屬性，以阻止處理器針對綠色區(qū)域進行試探性訪問。

圖9、粗線條初始配置結(jié)合用戶更新的MPU配置

換句話說，事先針對整個4G空間做MPU配置，正是為了明確那些沒有做特定MPU配置的外部存儲空間的存儲屬性，Strongly ordered 屬性配置恰好可以很好地防止M7處理器對并不存在實際存儲設(shè)備的空間進行試探性訪問而導(dǎo)致異常。這也就正好解釋了開頭提到的那句注釋“將未定義區(qū)域配置為Strongly ordered屬性”。

或許有人發(fā)現(xiàn)即使不要那段針對4GB空間的MPU初始配置代碼，似乎也沒遇到啥問題。這也正常。因為你即使外擴了存儲單元，并非一定會因為試探性訪問導(dǎo)致異常。比方你外擴了32MB的存儲單元，未必就一定會要用到最后一個位置，說不定還剩余很多，遠不至于用到最后邊界而讓CPU試探到不存在存儲器的空間。但是事先做那段初始配置，對系統(tǒng)是一個很好的未雨綢繆。就好像河邊安置防護欄一樣，沒有，也不至于天天怎么樣；有，肯定要安全保險得多。

3. 問題小結(jié)

本篇內(nèi)容主要涉及內(nèi)核MPU配置方面的東西，重點針對客戶的疑問做了些解答，對MPU配置中的子區(qū)概念做了較為詳細的解讀，以供參考。

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