一、内存保护单元(MPU)介绍

二、Cache简介

三、MPU相关寄存器介绍

四、MPU相关HAL库驱动介绍

五、MPU基本配置步骤 六、编程实战

七、总结

内存保护单元（Memory Protection Unit，MPU）是一种硬件单元，常用于嵌入式系统中，用于管理存储器的访问权限和属性。MPU的功能包括：

设置不同存储区域的存储器访问权限：MPU可以根据特权级或用户级设置存储器区域的读、写、执行等权限，以限制对存储器的访问。

设置存储器属性：MPU可以设置存储器（包括内存和外设）的属性，如可缓存、可缓冲、可共享等，以优化存储器的使用方式。

管理权限和通行规则/路径：MPU可以定义存储器区域之间的访问规则和通行路径，以确保数据的安全性和系统的稳定性。

具体好处包括：

防止用户应用程序破坏操作系统使用的数据：通过限制用户程序对操作系统数据的访问权限，可以防止用户程序对系统关键数据的非法操作。

隔离任务：MPU可以限制一个任务访问其他任务的数据区，从而有效地隔离任务，提高系统的安全性和稳定性。

设置关键数据区域为只读：将关键数据区域设置为只读可以防止数据被非法篡改，从根本上保护关键数据的安全性。

检测意外的存储访问：MPU可以检测到意外的存储访问，如堆栈溢出、数组越界等，从而及时发现并处理异常情况，提高系统的健壮性。

防止代码注入攻击：将存储器空间定义为不可执行可以防止恶意代码注入并执行，提高系统的安全性。

综上所述，MPU可以提高嵌入式系统的健壮性和安全性，使系统更加稳定和可靠。

内核地址映射是指将物理内存地址映射到内核空间的过程，其中MPU（Memory Protection Unit）可以通过配置保护内存区域来实现对内核地址空间的保护和管理。

在MPU中，可以配置多个内存保护区域，通常编号为Region0到Region15，每个区域都有一定的访问属性和权限。这些区域可以用来定义内核地址空间的访问规则，以确保内核的安全性和稳定性。

以下是一般情况下的内核地址映射配置：

优先级和编号：MPU中的内存保护区域通常按照优先级从0到15进行编号，优先级越高的区域具有更高的权限和访问优先级。

访问属性和权限：每个内存保护区域可以配置访问属性和权限，包括读、写、执行等。这些属性可以根据需要进行配置，以满足内核的安全要求。

重叠和嵌套：如果存在多个内存保护区域并且它们发生重叠或嵌套关系，MPU会按照优先级高的区域的配置规则来执行。这样可以确保对重叠或嵌套区域的访问符合更高优先级的规则。

背景区：MPU通常还会定义一个默认的背景区（default region），其序号通常为-1。背景区可以用来定义未被其他区域覆盖的内存空间的访问规则，确保整个内存空间的完整性。

通过合理配置MPU的内存保护区域，可以有效地保护内核地址空间，防止未经授权的访问和恶意操作，从而提高系统的安全性和稳定性。

MPU（Memory Protection Unit）可以通过设置内存区域的访问权限来控制特权级和用户级的访问。以下是常见的几种访问权限配置：

MPU_REGION_NO_ACCESS：该权限配置表示内存区域不允许任何访问，即特权级和用户级都无法进行读取或写入操作。

MPU_REGION_PRIV_RW：此配置仅支持特权级的读写访问，用户级无法访问。

MPU_REGION_PRIV_RW_URO：该配置允许特权级读写访问，但禁止用户级写入访问。用户级只能读取数据。

MPU_REGION_FULL_ACCESS：该权限配置允许特权级和用户级都可以进行完全访问，包括读取和写入操作。

MPU_REGION_PRIV_RO：此配置仅支持特权级的读取访问，用户级无法进行写入操作。

MPU_REGION_PRIV_RO_URO：该配置允许特权级进行只读访问，同时禁止用户级写入访问。

在配置了MPU的访问权限后，如果程序尝试访问未经授权的区域或者违反了权限配置，将触发错误异常（MemManage），系统会相应地进行处理，通常是通过异常处理机制中的相关异常处理函数进行处理，例如重启系统或者输出错误信息等。

通过合理配置MPU的内存区域访问权限，可以有效地保护系统的安全性和稳定性，防止非法访问和潜在的安全风险。

在配置MPU时，可以为每个内存区域指定访问属性，以确保CPU对内存的访问方式符合要求。主要的内存类型包括：

Normal Memory（普通内存）：适用于ROM、FLASH、SRAM等常规内存，CPU对于这种内存的加载或存储操作不需要严格按照程序代码的顺序执行。这种内存的访问属性可以使CPU以最高效的方式加载和存储字节、半字和字，从而提高系统的性能。

Device Memory（设备内存）：主要用于外设的存储器，对于这种内存区域的加载和存储操作必须严格按照次序进行，确保寄存器按照正确顺序设置。这样可以确保外设的操作正确执行，防止出现数据错位或不完整的情况。

Strongly Ordered Memory（严格顺序内存）：程序完全按照代码顺序执行，CPU会等待当前加载存储执行完毕后才执行下一条指令，导致性能下降。这种内存的访问属性适用于对内存访问顺序有严格要求的场景，确保操作的正确性和可靠性。

通过为不同的内存区域配置合适的访问属性，可以确保CPU的访问行为符合内存的特性和要求，从而保证系统的稳定性、可靠性和性能表现。

对于这三种内存类型，它们在系统中的应用场景和特点如下：

Normal Memory（普通内存）：

Device Memory（设备内存）：

Strongly Ordered Memory（严格顺序内存）：

通过合理地选择和配置这三种内存类型，可以满足不同场景下对内存访问的要求，提高系统的性能、稳定性和可靠性。

在计算机系统中，特别是在多处理器系统或多核系统中，当存在多个处理器核心（或处理器）时，可能需要进行不同核心之间的数据同步，以确保数据的一致性和正确性。这种情况下，通常会使用一些技术和机制来实现Master间的数据同步，以下是一些常见的方法：

锁机制： 使用锁机制是一种常见的数据同步方法。通过在共享数据上加锁，可以确保同一时刻只有一个核心可以访问该数据，其他核心需要等待锁释放后才能进行访问。常见的锁包括互斥锁、自旋锁、读写锁等。

原子操作： 原子操作是不可中断的操作，能够保证在执行过程中不会被其他操作中断。原子操作通常用于对共享数据的更新操作，可以确保更新的完整性，防止出现并发访问导致的数据不一致问题。

信号量： 信号量是一种用于控制对共享资源访问的同步机制。它可以用来限制同时访问共享资源的核心数量，以及控制核心之间的等待和唤醒操作。

消息传递： 通过消息传递的方式，不同核心之间可以进行数据交换和通信。这种方式可以通过消息队列、邮箱等机制来实现数据同步和通信，确保数据的一致性和正确性。

屏障（Barrier）： 屏障是一种同步机制，用于确保所有核心在某个点上同时到达并执行某个操作之前，都会被阻塞等待。屏障通常用于控制并发执行的流程，以确保所有核心在某个关键点上同步执行。

共享内存： 共享内存是一种允许多个核心共享相同物理内存区域的机制。通过共享内存，不同核心可以直接访问同一块内存，从而实现数据的共享和同步。

这些方法和机制可以根据具体的系统架构和需求来选择和应用，以实现Master间的数据同步和共享，确保系统的正确性和性能。

不同配置下的性能情况受多种因素影响，包括内存类型、是否缓存、是否缓冲、是否共享等因素，以及cache策略的选择。下面是针对不同配置的性能情况的一般分析：

内存类型：

缓存策略：

共享属性：

综上所述，不同配置下的性能情况需要综合考虑内存类型、缓存策略、共享属性等因素，以及具体的应用场景和需求，才能做出合适的选择和优化。

Cache（缓存）是一种高速临时存储器，用于存储经常被访问的数据或指令，以提高CPU对这些数据或指令的访问速度。在STM32系列的M7内核中，Cache被分为两种类型：数据缓存（D-Cache）和指令缓存（I-Cache）。

数据缓存（D-Cache）： 数据缓存存储了经常被CPU访问的数据，包括变量、数组等。当CPU需要访问数据时，首先会在数据缓存中查找，如果找到了相应的数据，则可以直接从缓存中获取，从而加快了访问速度。数据缓存的存在可以大大减少CPU访问外部存储器（如SRAM）的次数，提高了系统的整体性能。

指令缓存（I-Cache）： 指令缓存存储了经常被CPU执行的指令，包括程序的代码段。当CPU需要执行指令时，首先会在指令缓存中查找，如果找到了相应的指令，则可以直接从缓存中获取，从而加快了指令的执行速度。指令缓存的存在可以减少从外部存储器（如Flash）中获取指令的次数，提高了程序的执行效率。

在STM32系列的M7内核中，Cache支持以下基本操作：

使能（Enable）： 开启Cache功能，允许CPU使用缓存来加速访问数据或指令。

禁止（Disable）： 关闭Cache功能，禁止CPU使用缓存，所有的访问都直接从外部存储器中获取数据或指令。

清空（Flush）： 清空Cache中的所有数据或指令，将其置为无效状态。

无效化（Invalidate）： 将Cache中的数据或指令置为无效状态，使其失效，需要重新从外部存储器中获取。

在STM32中，MPU（内存保护单元）可以用于指定Cache的访问策略，包括Cache的使能与禁止、Cache的清空与无效化等操作。通过MPU的配置，可以灵活地控制Cache的行为，以满足不同的应用需求和性能优化要求。

在 Cortex-M7 内核中，I-Cache 和 D-Cache 分别指代指令缓存和数据缓存。下面是一些相关的说明：

I-Cache（指令缓存）：

D-Cache（数据缓存）：

对于时钟频率和存储器类型的说明：

Cache 的命中率对系统性能有着重要的影响，高命中率可以提高读写速度，减少访问主存的次数，从而提高整体系统性能。下面是一些关于 Cache 命中率的说明：

读命中（Cache Hit）：

读未命中（Cache Miss）：

写命中（Cache Hit）：

写未命中（Cache Miss）：

为了提高 Cache 的命中率，可以采取以下措施：

在 Cache 命中和 Cache 未命中的情况下，处理方式是不同的：

Cache Hit (命中)：

Cache Miss (未命中)：

选择适当的处理方式取决于应用程序的需求以及系统设计的考虑。通常情况下，会根据应用程序的访存模式、数据局部性以及对性能和一致性的要求来选择合适的策略。

计组之存储系统：8、Cache写策略(全写法、写回法、写分配法、非写分配法、多级Cache) 在 Cache Hit 和 Cache Miss 的情况下，可以采取不同的处理方式：

Cache Hit (命中)：

Cache Miss (未命中)：

上述问题描述了解决数据不一致性问题的两种主要方法。让我们对这两种方法进行分析：

设置共享属性：

软件进行 Cache 维护：

综上所述，两种方法都可以解决数据不一致性的问题，但在选择时需要权衡性能和复杂性。设置共享属性简单直接，但会牺牲一定的性能；而软件进行 Cache 维护可以最大程度地利用 Cache 提升性能，但会增加系统的复杂性。选择哪种方法取决于系统的需求和性能要求。 这些函数是用来配置和操作 Cortex-M7 处理器的 Cache 的。下面是它们的功能描述：

I-Cache 相关函数：

D-Cache 相关函数：

这些函数使得程序能够有效地控制 Cache 的状态，从而在需要时清理、使无效或操作 Cache 中的数据。

MPU类型寄存器（MPU_TYPE）提供了有关内存保护单元（MPU）的一些基本信息。下面是其位段的说明：

IREGION (23:16)：只读，MPU 支持的指令 region 的数量。由于 MPU 是统一的（即指令和数据共享相同的配置），所以此字段永远为零。

DREGION (15:8)：只读，MPU 支持的数据 region 的数量。这个值是用户设置的，取决于芯片配置。可以配置为 8 个或 16 个 MPU regions。

SEPARATE (0)：只读，指示指令和数据映射是否分开。如果此位为 0，则表示指令和数据映射是统一的。通常通过读取 DREGION 的值来判断芯片中是否支持 MPU。

通过读取 MPU_TYPE 寄存器，可以了解 MPU 在特定芯片上的配置情况，包括支持的 region 数量和指令/数据映射方式。

MPU 控制寄存器（MPU_CTRL）包含了控制 MPU 行为的各个位段。下面是对这些位段的说明：

PRIVDEFENA (位2)：可读写。此位控制是否允许特权级使用默认内存映射。具体如下：

HFNMIENA (位1)：可读写。此位控制在 hard fault、NMI 和 FAULTMASK handlers 中是否使能 MPU 操作。具体如下：

ENABLE (位0)：可读写。此位用于使能或失能 MPU。

MPU 控制寄存器允许控制 MPU 的使能状态以及在不同处理器状态下 MPU 的行为。

MPU 区域编号寄存器（MPU_RNR）用于选择下一个要配置的内存区域。下面是对其位段的说明：

在配置任何一个内存区域之前，都需要通过 MPU_RNR 寄存器选择相应的区域编号。

MPU 基地址寄存器（MPU_RBAR）用于设置 MPU 区域的基址。以下是对其位段的说明：

ADDR (位31:N)：可读写。这些位是用来设置内存区域的基址字段。N 取决于区域的容量，使得基址在数值上能够被容量整除。例如，如果区域容量为 64KB，则 N 的值为 16。

VALID (位4)：可读写。在读取时，该位一直为 0。在写入时：

REGION (位3:0)：可读写。在写操作中，这些位用于指定要更新的区域编号。在读操作中，返回由 MPU_RNR 指定的当前区域号。

N 的值是根据区域大小（以字节为单位）计算的，通过取以 2 为底的对数，例如，如果区域容量为 64KB，则 N 的值为 16。

MPU 区域属性和容量寄存器（MPU_RASR）用于设置 MPU 区域的属性和容量。以下是对其位段的详细解释：

XN (位28)：可读写。指示该内存区域是否允许执行代码。

AP (位26:24)：可读写。指示访问权限。

TEX，C，B (位21:19, 17, 16)：可读写。用于设置内存访问属性，包括 Cache 策略、是否使用缓冲等。

S (位18)：可读写。指示是否共享该内存区域。

SRD (位15:8)：可读写。子region 失能位。容量大于 128 字节的 region 被划分为 8 个容量相同的子region。每设置 SRD 的一个位，就会失能与之对应的一个子region。

SIZE (位5:1)：可读写。用于设置区域的容量，单位为字节，最小容量为 4 字节。实际容量计算公式为 2^(SIZE+1) 字节。

ENABLE (位0)：可读写。用于使能或失能该区域。

这些位段用于设置 MPU 区域的各种属性，包括访问权限、Cache 策略、是否允许执行代码等。通过正确配置这些位段，可以确保系统对内存区域的访问符合预期的安全和性能要求。

AP 相关位用于控制数据的访问权限，包括特权级下的许可和用户级下的许可。以下是各个值对应的权限描述：

0b000：禁止访问。

0b001：RW。

0b010：RW。

0b011：RW。

0b101：RO。

0b110：RO。

0b111：RO。

通常情况下，选择的是全访问，即 0b011。

在计算机系统中，缓存是用于存储最近或频繁访问的数据副本，以提高数据访问速度的一种技术。而不同的缓存策略会影响数据在缓存中的存储和管理方式，进而影响系统的性能和一致性。

以下是根据您提供的信息，对不同的缓存策略进行解释：

Non-cacheable（非缓存）:

Write-through, read-allocated, no-write-allocate（写透传，读分配，不写分配）:

Write-back, read-allocated, no-write-allocate（写回，读分配，不写分配）:

Write-back, read-allocated, write-allocate（写回，读分配，写分配）:

这些缓存策略在实际系统中会根据具体的应用场景和性能需求进行选择和配置，以达到最佳的性能和数据一致性。不同的缓存策略会影响数据在缓存和主存之间的传输方式和一致性管理。

MPU（Memory Protection Unit）相关的HAL库驱动提供了以下函数：

HAL_MPU_Enable(...)

HAL_MPU_Disable(...)

HAL_MPU_ConfigRegion(...)

HAL_MPU_Enable 函数用于设置 MPU 控制寄存器（MPU_CTRL）的各个位，具体功能包括操作 PRIVDEFENA 和 HFNMIENA 位，其操作方式如下：

操作 PRIVDEFENA 位：该位控制特权级下的默认内存映射访问权限。具体操作如下：

操作 HFNMIENA 位：该位控制在硬件故障中断（HardFault）和不可屏蔽中断（NMI）中是否继续开启 MPU。具体操作如下：

根据参数 MPU_Control 的不同取值，可以选择以下模式：

这些模式的选择取决于系统的需求和安全策略。 该函数用于启用 MPU（Memory Protection Unit），具体功能包括设置 MPU 控制寄存器（MPU_CTRL）、使能内存异常（MemFault）和确保 MPU 设置生效。函数的代码如下：

在函数内部，主要的操作包括：

这个函数的参数 MPU_Control 可以指定 MPU 在硬件故障（HardFault）、不可屏蔽中断（NMI）、FAULTMASK 和特权级访问默认内存时的控制模式。可以根据系统需求选择适当的模式。

这个结构体包含以下成员：

这些成员可以用来配置 MPU 区域的各种属性，以实现对内存的保护和访问控制。

注意：BaseAddress 值必须被 Size 值整除。

Size: 指定了要保护的区域的大小。该参数可以是以下值之一：

Number: 指定了要保护的区域的编号。在配置 MPU 时，必须指定要配置的区域编号。

TypeExtField: 指定了区域的 TEX 字段级别。TEX 字段用于配置内存访问属性，例如缓存策略。该参数可以是以下值之一：

AccessPermission: 指定了区域的访问权限类型。该参数可以是以下值之一：

注意：在配置 MPU 时，确保 BaseAddress 的值要被 Size 的值整除，以确保设置的区域大小和基地址是有效的。

基本的 MPU 配置流程，通常用于在 Cortex-M 架构的处理器上配置内存保护单元 (MPU)。

禁止 MPU： 在配置 MPU 之前，首先需要禁止 MPU，以确保在配置期间不会产生任何干扰。可以通过调用 HAL_MPU_Disable() 函数来实现。

配置某个区域的 MPU 保护参数： 使用 HAL_MPU_ConfigRegion() 函数来配置某个特定区域的 MPU 保护参数。该函数通常需要提供以下参数：

使能 MPU： 在配置完成后，需要使能 MPU 以使其生效。可以通过调用 HAL_MPU_Enable() 函数来启用 MPU。

编写 MemManage 中断服务函数： 在 MPU 使能后，如果发生了非法的内存访问或其他与内存保护相关的异常，将触发 MemManage 中断。为了处理这些异常，需要编写 MemManage 中断服务函数 (MemManage_Handler)。在该函数中，可以执行一些处理操作，例如记录错误信息、重置系统状态或者进行异常处理。

通过这个基本的 MPU 配置步骤，可以有效地配置并管理处理器的内存保护单元，以提高系统的安全性和稳定性。

对于使用 Mini Pro H750 开发板的 MPU 设置，通常的步骤如下：

确定需要保护的区域：根据应用程序的需求和安全性要求，确定需要保护的内存区域。这可能涉及到代码区、数据区、堆栈区等。

配置 MPU 区域：使用 MPU 区域初始化结构体 MPU_Region_InitTypeDef 来配置每个需要保护的内存区域的参数，包括基地址、大小、访问权限、Cache 属性等。确保配置时考虑到内存对齐的要求。

调用 HAL_MPU_ConfigRegion() 配置 MPU：使用 HAL 库提供的函数 HAL_MPU_ConfigRegion() 来配置每个 MPU 区域的参数。在配置完成后，确保调用 HAL_MPU_Enable() 使能 MPU。

MemManage 中断处理：编写 MemManage 中断服务函数 MemManage_Handler()，用于处理任何与内存保护相关的异常。在这个函数中，可以记录错误信息、采取必要的补救措施或者重置系统状态。

测试和验证：配置完成后，进行测试和验证，确保 MPU 的设置能够正确地保护指定的内存区域，并且不会导致不必要的系统异常或性能影响。

优化和调整：根据实际情况，对 MPU 的配置进行优化和调整，以满足特定应用程序的要求，同时确保系统的性能和稳定性。

通过以上步骤，可以有效地配置 Mini Pro H750 的 MPU，提高系统的安全性和稳定性。

要调试内核 MPU（Memory Protection Unit），你可以采取以下步骤：

检查 MPU 配置：首先，确保你的 MPU 配置是正确的。检查每个区域的参数，包括基地址、大小、访问权限等是否设置正确。

检查 MPU 中断：如果发生了与内存访问权限相关的错误，通常会触发 MemManage 中断。确保你的 MemManage_Handler() 函数正确地捕获和处理这些中断。在处理函数中，你可以记录错误信息、重置系统状态或采取其他必要的措施来处理异常情况。

使用调试工具：你可以使用支持 MPU 调试的调试工具，如 J-Link 调试器或者 Keil MDK 自带的调试器，来检查 MPU 的配置和运行状态。这些工具通常提供了查看 MPU 寄存器的功能，可以帮助你确认 MPU 的设置是否符合预期，并且可以监视 MPU 异常的触发情况。

逐步调试：如果你怀疑某个特定的代码段导致了 MPU 异常，你可以使用调试器进行逐步调试。逐步执行代码，并观察是否会触发 MPU 异常。通过逐步调试，你可以更精确地定位问题所在，并尝试解决它。

记录日志：在调试过程中，记录关键的信息和观察结果是很重要的。可以通过日志输出或者调试器的事件记录功能来记录 MPU 异常的发生情况，以便后续分析和排查问题。

通过以上步骤，你可以更好地调试内核 MPU，并解决与内存保护相关的问题。记得在调试过程中谨慎操作，确保不会对系统造成额外的影响。