[Classic AUTOSAR学习]以S32G为例，基于Cortex-M7的内存保护单元（MPU）

内存保护单元（MPU），是一个可以提供内存保护功能的计算机硬件单元，一般都集成在CPU内。MPU是内存管理单元（MMU）的简化版本，仅提供内存保护的支持，常常在低功耗处理器中使用，不需要诸如虚拟内存管理等功能。^[1]

MPU允许处于特权模式的程序定义内存区间，分配内存访问权限以及每个区间的属性，不同的处理器能够支持的内存分区都不一样，Cortex-M7系列可以拥有8个或16个内存分区，对于S32G来说，可以支持16个内存分区。

Cortex-M7的MPU

基于Cortex-M7的MCU存储接口如下图所示^[2]：

配置/操作MPU时我们都是基于分区（region）设置，每一个region都可以分配不同的访问规则，存储类型以及它们的属性决定了访问这个分区的行为。

分区时常常会碰到分区地址有交叉的情况，此时分区属性将由分区号更高的设定所决定，例如，如果MPU可以设置16个分区，那么分区号为15的分区属性会是这段地址最终的属性。

Cortex-M7拥有统一的MPU存储映射表，也就是说，执行访问和数据访问有同样的分区设定。

除了上述提到Cortex-M7有8个或16个分区，还有一个可选的后台分区（background region），后台分区有着和默认存储映射表相同的访问属性，但是仅能被特权模式下的软件所访问。^[3]

如果程序尝试访问一段被MPU禁止访问的区域，处理器会抛出MemManage故障（会被捕捉到异常），在运行操作系统的环境中，这样的行为最终可能引发运行终止。OS执行时，内核可以根据需要运行的任务动态地更新MPU分区设定。

类型和属性

如上所说，分区的类型和属性决定了访问的行为。

类型有两种：Normal和Device/Strongly-Ordered。

对于Normal类型的分区，处理器为了运行效率可能会重排事务（transaction），或者进行预测读操作。而对于Device/Strongly-Ordered类型的分区，处理器必须保持对设备或者强顺序存储按照代码顺序执行事务。

当然，对于Device和Strongly-Ordered两个细分分区类型，它们对于执行顺序也有不一样的地方，外部存储可以缓存期望写入device的数据，但是不允许对写入Strong-Ordered存储数据的缓存。

除此之外，还有两种属性：是否可共享（shareable），是否不允许执行（execute never/XN）。

当设置了Shareable属性时，存储系统会提供不同bus master的数据同步机制，例如，拥有DMA控制器的处理器。

Strongly-Ordered分区一定是Shareable的。

如果多个bus master可以访问一块儿不可共享的区域，那么软件必须保证不同总线间的数据一致性。

如果设置了XN属性，那么处理器会阻止对于这个区域的指令访问，否则抛出异常。

更详细的属性介绍可参考RASR寄存器（如上图）说明，我们目前先关注XN, AP, TEX, C(Cacheable), B, S(Shareable)。

根据TEX, C, B, S的值不同组合，控制了对应存储空间的属性，组合详情参考Arm Cortex-M7 Devices Generic User Guide r1p2。

而对于Cortex-M7的分区，一般有如此设定：

使用MPU

MPU寄存器需要在使用前设置并使能，一般在系统启动之后，应用初始化阶段时完成。

配置操作一般分为三步：

1. 选择分区

2. 对选择的分区设置属性

1. 对其他分区重复上述两个操作

3. 使能MPU

如果希望在访问无权限访问分区时能抛出内存管理故障的异常，需要在使能MPU之前设置SHCSR寄存器。

分区大小

分区大小的设置只能是2的次幂，最小为32B，然后可以设置为64B, 128B，1KB, 1MB等等，最大为4GB。

参考

1. ^Memory protection unit https://handwiki.org/wiki/Memory_protection_unit#:~:text=A%20memory%20protection%20unit%20%28MPU%29%2C%20is%20a%20computer,of%20memory%20management%20unit%28MMU%29%20providing%20only%20memory%20protectionsupport

2. ^How to Configure the Memory Protection Unit (MPU) Tech Brief https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/90003179A.pdf

3. ^Optional Memory Protection Unit https://developer.arm.com/documentation/dui0646/c/Cortex-M7-Peripherals/Optional-Memory-Protection-Unit?lang=en

原文始发于微信公众号（车载嵌入式软件开发）：[Classic AUTOSAR学习]以S32G为例，基于Cortex-M7的内存保护单元（MPU）