管理STM32 MCU中的內(nèi)存保護(hù)單元

1前言

本應(yīng)用筆記介紹如何管理 STM32 產(chǎn)品中的內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）。MPU 是用于存儲(chǔ)器保護(hù)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(duì)其進(jìn)行編程并加以啟用。如果 MPU 沒(méi)有啟用，則存儲(chǔ)系統(tǒng)的行為不會(huì)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(yīng)用程序破壞關(guān)鍵任務(wù)（例如操作系統(tǒng)核心）使用的數(shù)據(jù)? 將 SRAM 存儲(chǔ)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(chǔ)訪問(wèn)屬性MPU可最多保護(hù)16個(gè)內(nèi)存區(qū)域。在 Armv6、Armv7 架構(gòu)（Cortex-M0+、M3、M4、M7）下，這些區(qū)域可以依次擁有 8 個(gè)子區(qū)域（前提是區(qū)域至少有 256 字節(jié)）)。

在 STM32 中，受保護(hù)區(qū)域的確切數(shù)量可能因內(nèi)核和器件而有所不同，請(qǐng)參閱 Cortex-M33 MPU 寄存器獲取詳細(xì)信息。子區(qū)域的大小都是相等的，可以根據(jù)子區(qū)域號(hào)進(jìn)行啟用或禁用。因?yàn)樽钚^(qū)域大小是由緩存行長(zhǎng)度（32 字節(jié)）驅(qū)動(dòng)的，所以 8 個(gè) 32 字節(jié)的子區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè) 256 字節(jié)的區(qū)域。區(qū)域的編號(hào)為 0 至 15。

此外，還有一處默認(rèn)區(qū)域，其 id 為-1。所有編號(hào) 0-15 的存儲(chǔ)區(qū)域的優(yōu)先級(jí)高于默認(rèn)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(jí)由低到高，這也決定了區(qū)域重疊的方式。優(yōu)先級(jí)是固定的，不可更改。在 Armv8 架構(gòu)（Cortex-M33）中，使用起始地址和終止地址來(lái)定義區(qū)域，使開發(fā)人員能夠以靈活、簡(jiǎn)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(méi)有子區(qū)域的概念了。下圖顯示的示例包含六個(gè)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(nèi)。因?yàn)閮?yōu)先級(jí)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(gòu)（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(méi)有必要重疊MPU 區(qū)域。?

MPU 是統(tǒng)一的，意味著沒(méi)有單獨(dú)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(chǔ)器屬性（如可緩存性），可以導(dǎo)出到系統(tǒng)級(jí)緩存單元或存儲(chǔ)存控制器。Arm 架構(gòu)中的存儲(chǔ)器屬性設(shè)置可以支持兩種級(jí)別的緩存：內(nèi)部緩存和外部緩存。STM32F7 和 STM32H7 系列僅支持一種級(jí)別的緩存（L1-緩存）。?

緩存控制由緩存控制寄存器實(shí)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(chǔ)器模型?

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

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

存儲(chǔ)器類型、寄存器和屬性

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

3.1 存儲(chǔ)器類型

有三種常見(jiàn)的存儲(chǔ)器類型：?

? 普通存儲(chǔ)器：允許 CPU 以有效方式安排字節(jié)、半字和字的加載和存儲(chǔ)（編譯器不了解存儲(chǔ)器區(qū)域類型）。對(duì)于普通存儲(chǔ)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(chǔ)操作。?

? 器件存儲(chǔ)器：在器件區(qū)域內(nèi)，負(fù)載和存儲(chǔ)是嚴(yán)格按照順序進(jìn)行的。這是為了確保以正確的順序設(shè)置寄存器。?

? 強(qiáng)排序存儲(chǔ)器：所有操作始終按以編程方式列出的順序執(zhí)行，CPU 會(huì)等待加載/存儲(chǔ)指令執(zhí)行（有效的總線訪問(wèn)）結(jié)束，然后執(zhí)行程序流中的下一條指令。這可能導(dǎo)致性能損失。

3.2 存儲(chǔ)器屬性

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

前一個(gè)表格中的參數(shù)詳情如下：

? XN 標(biāo)志位控制代碼的執(zhí)行。為了在區(qū)域內(nèi)執(zhí)行指令，特權(quán)級(jí)別必須有讀訪問(wèn)權(quán)限，而 XN 必須為 0。否則，會(huì)產(chǎn)生 MemManage 報(bào)錯(cuò)。?

? 數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限（AP）字段定義存儲(chǔ)區(qū)域的 AP。

下表對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行了說(shuō)明：

? S 字段面向可共享的存儲(chǔ)區(qū)域：存儲(chǔ)系統(tǒng)在一個(gè)有多個(gè)總線主控的系統(tǒng)（例如，一個(gè)處理器帶一個(gè) DMA 控制器）中提供總線主控之間的數(shù)據(jù)同步。強(qiáng)排序的存儲(chǔ)器始終可共享。如果多個(gè)總線主控可以訪問(wèn)一個(gè)不可共享的存儲(chǔ)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(dāng)于不可緩存的存儲(chǔ)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(duì)其進(jìn)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(yīng)用程序任務(wù)訪問(wèn)或破壞其他任務(wù)使用的堆棧和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該應(yīng)用筆記描述了不同的存儲(chǔ)器屬性、類型和 MPU 寄存器。其中還提供了 MPU（使用 STM32Cube HAL）設(shè)置示例，以說(shuō)明如何配置 STM32 MCU 中的 MPU。如需詳細(xì)了解 MPU 寄存器，請(qǐng)參閱 Cortex 內(nèi)核編程手冊(cè)。本應(yīng)用筆記內(nèi)容較長(zhǎng)，篇幅有限僅展示部分，完整內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊“閱讀原文”下載原文檔。

審核編輯：湯梓紅