STM32的HAL库开发---内存保护（MPU）
一、内存保护单元（MPU）介绍
内存保护单元（memory protection unit），简称：MPU。
MPU的功能：代码访问保护、内存保护、外设保护
1、设置不同存储区域的存储器访问权限，访问权限可以是特权级或者用户级，或者是全可以，也就是全访问。
2、设置存储器(内存和外设)属性（可缓存、可缓冲、可共享）
可以理解为MPU就是一个管理员，管理权限，内核里边有很多个存储块，然后MPU多这些存储块进行管理访问权限，是特权级可以访问还是用户级可以访问，还是都可以访问，对应功能中的第一条。同时MPU管理访问内存块的规则和途径。
MPU优点：
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，防止代码注入攻击
内核地址映射：
MPU可配置保护8/16个内存区域，每个区域最小要求256字节，且每个区域还可配置为8个子区域（大小一样）。这里以H7为例子，分为16个区域，其中16个区域可能会有重叠和嵌套，重叠或嵌套下，重叠部分按着优先级高的内存区配置规则执行，其中编号越小的，优先级越高。除了这16个区域，还有一个背景区，背景区对这16个区域的地址空间有一个默认的设置。
MPU设置内存区域的访问权限 ：
配置好MPU，不得访问定义外的地址空间，也不得访问未经授权的区域，否则属于非法访问，会触发错误异常。例如如果配置了一块区域只读，在对这块区域进行写，就会触发错误异常。
MPU配置内存区域的访问属性：三种内存类型
1、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的顺序执行
2、Device memory：外设
加载和存储要严格按照次序进行，确保寄存器按照正确顺序设置
3、Strongly ordered memory
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。
其中第一中性能最强，然后是第二种，最差的是第三种。
三种内存类型对应的情景：
CPU通过Cache与内存进行交互，Cache的频率与CPU频率相同，其中Memory就是SRAM，而SRAM的频率只有CPU的一半，通过Cache可以实现同步访问，可以配置是否使用Buffer缓存。对于Device Memory 必须使用Buffer缓冲。而Strongly Ordered Memory没有Buffer，性能最差。
可共享：对于H7的每条总线上都有多个Master和Slave，且同一个Slave可以多个Master进行访问 。CPU可以访问SRAM1，同时DMA也可以访问SRAM1，而如果CPU把数据同步到Cache里边，但是Cache没有把数据同步到SRAM里边，这时候DMA去访问SRAM，数据就不统一，所以需要数据共享。
二、Cache简介
Cache(高级缓存)是提升STM32性能的关键一步。Cache只在F7、H7系列有。M7内核芯片做了一级Cache支持，Cache分为数据缓存D-Cache和指令缓存I-Cache。
由于SRAM只有CPU主频的一半，所以使用Cache加速访问。数据缓存D-Cache是解决CPU加速访问SRAM
Cache支持4种基本操作：1,使能；2,禁止； 3,清空； 4,无效化
CPU与SRAM有两种方式，第一种是CPU直接访问SRAM，第二种是CPU通过Cache访问SRAM，还有就是DMA可以直接访问SRAM。
读操作：
CPU要读取的SRAM区数据在Cache中已经加载好，叫读命中(Cache hit)； 如果Cache里面没有，这就是读Cache Miss。
写操作：
CPU要写的SRAM区数据在Cache中已经开辟了对应的区域，这就叫写命中(Cache hit)；如果Cache里面没有开辟对应的区域怎么办，这就是所谓的写Cache Miss。
保证cache有足够高的命中率，尽量少的cache miss，读/写速度会有比较大的提高。
CPU读Cache:
1、如果是Cache hit ,则内核可以直接从Cache里边读数据。
2、如果是Cache mis，存在两种方式，第一种是read through，直接从内存中读出，不用cache。第二种是read allocate，把数据从内存加载到cache，再从cache读取 。
CPU写Cache:
1、如果是Cache hit ,存在两种方式。第一种是Wrte through，直接写到内存中并同时放到cache里面内存和cache同步更新。第二种是write back，数据更新时只写入cache，只在数据被替换出cache时被修改的cache数据才会写入内存，写入速度快。
如果当CPU把数据放到Cache里边，在数据被替换出Cache之前，DMA访问SRAM，就会出现数据不一致。
2、如果是Cache mis，存在两种方式，第一种是write allocate，先把要写的数据载入Cache里面，对Cache写之后，才更新到SRAM里边。第二种是no write allocate，直接写入内存，不用cache。
数据不一致问题：
设置共享属性:Cache相当于没有开启。
软件进行Cache维护：
clean清空，Cache已经变化，SRAM数据未更新，DMA搬运数据前，将Cache相对应数据更新到SRAM，调用clean函数，SCB_CleanDCache / SCB_CleanInvalidateDCache 。
invalidate 无效化：SRAM数据已变化，Cache未更新 。DMA搬运数据后，cache数据无效，需从SRAM中获取。调用函数SCB_InvalidateDCache / SCB_CleanInvalidateDCache 。
三、MPU相关寄存器介绍
1、MPU_TYPE寄存器
这个寄存器是只读的，IREGION永远是0，因为MPU是固定，设置好的。DREGION是MPU支持的数量。
2、MPU_CTRL寄存器
PRIVDEFENA：设置成0，未定义区域不可以访问，会报错误。设置成1，可以访问region外的区域。
3、MPU_RNR寄存器：用于选择下一个要配置的region。
配置任何一个region前，都需要在MPU内选中这个region，即把region号写入MPU_RNR。
4、 MPU_RBAR寄存器：
5、MPU_RASR寄存器
AP 相关位控制数据的访问权限（访问许可），通常只需要设置全访问。
| 值 | 特权级下的许可 | 用户级下的许可 | 描述 |
| 0b000 | 禁止访问 | 禁止访问 | 所有访问都会产生取消权限错误 |
| 0b001 | RW | 禁止访问 | 只支持特权访问 |
| 0b010 | RW | RO | 非特权写入会产生权限错误 |
| 0b011 | RW | RW | 全访问 |
| 0b100 | n/a | n/a | n/a |
| 0b101 | RO | 禁止访问 | 仅支持特权读 |
| 0b110 | RO | RO | 仅可通过特权或非特权读（只读） |
| 0b111 | RO | RO | 仅可通过特权或非特权读（只读） |
TEX用来设置Cache策略：
四、MPU相关HAL库驱动介绍
一般操作是先将MPU失能，然后进行MPU参数配置，最后再使能MPU。
难点：如何让配置的内存区最大限度发挥性能
1、void HAL_MPU_Enable (uint32_t MPU_Control)函数，操作PRIVDEFENA位，该位为0，禁止背景区，访问任何未使能MPU区域均会造成内存异常MemFault ;该位为1，使能背景区，特权级下可以正常访问任何未使能MPU区域。
2、void HAL_MPU_Disable (uint32_t MPU_Control)函数，失能MPU功能。
3、区域配置函数，需要传递一个结构体。
五、MPU基本配置步骤
1、void HAL_MPU_Disable()，禁止MPU。
2、通过调用HAL_MPU_ConfigRegion()函数去设置，配置某个区域的MPU保护参数
3、void HAL_MPU_Enable();，使能MPU
4、void MemManage_Handler(void)，编写MemManage中断服务函数。
MPU属于内核外设，可以通过DEBUG的内核外设进行查看。
六、总结
通过配置mpu内存保护，被保护的地址如果再随机更改，就会发生内存错误，进入MemManage_Handler中断服务函数。可以使用HAL库，这个是内核的，可以先了解了解。