應(yīng)用筆記 | MPU 子區(qū)話題

關(guān)鍵字：MPU， SubRegion

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1 問(wèn)題起因2 問(wèn)題解析3 問(wèn)題小結(jié)

1. 問(wèn)題起因

有人詢問(wèn)STM32F7 和STM32H7 系列庫(kù)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(chǔ)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(jìn)行MPU 設(shè)置就是將從0 開(kāi)始的4G 空間，即整個(gè)STM32 可尋址空間定義為Strongly Ordered 存儲(chǔ)屬性。且此時(shí)MPU Region 編號(hào)為0?？纱a注釋上又說(shuō)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(wèn)題解析

所謂子區(qū)【Subregion】，當(dāng)我們對(duì)任一存儲(chǔ)空間不小于256B 的區(qū)域【Region】進(jìn)行MPU 配置時(shí)，往往可以把該區(qū)【region】等分為8 個(gè)子區(qū)【Subregion】，并可以把當(dāng)前MPU 配置選擇性地針對(duì)各個(gè)子區(qū)進(jìn)行排除性設(shè)置。在內(nèi)核里有個(gè)關(guān)于MPU 配置的寄存器MPU_RASR,其中有個(gè)8 位字段SRD 就是用來(lái)設(shè)置各個(gè)子區(qū)的MPU 排除性設(shè)置或者說(shuō)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(duì)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(shuō)一下。假設(shè)我們選擇了某64MB區(qū)域進(jìn)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(chǔ)屬性【細(xì)節(jié)可以核對(duì)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(duì)應(yīng)表

這里有針對(duì)個(gè)別子區(qū)做了MPU屬性排除操作，就是靠下面這句代碼實(shí)現(xiàn)的：MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x28;//即二進(jìn)制00101000

前面說(shuō)過(guò)了，我們可以將大于256B的存儲(chǔ)區(qū)等分為8個(gè)子區(qū)并做MPU屬性排除配置。這里的0x28對(duì)應(yīng)的8位2進(jìn)制數(shù)表示各個(gè)子區(qū)針對(duì)當(dāng)前MPU配置是否被排除在外的情況，若某位為0時(shí)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(gè)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(gè)SRD字段的配置值0x28的由來(lái)以及地址空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，SRD的高位對(duì)應(yīng)高地址子區(qū)。基于上面配置，有2個(gè)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(gè)關(guān)于MPU子區(qū)的示例【來(lái)自ARM M7內(nèi)核技術(shù)手冊(cè)】。

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(gè)存儲(chǔ)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(gè)子區(qū)做了MPU排除處理，即Region2中頭2個(gè)子區(qū)的MPU屬性不適用于Region2的MPU配置，這2個(gè)子區(qū)的MPU屬性取決于Region1的配置。換言之，Region2的配置對(duì)頭2個(gè)子區(qū)的MPU屬性沿用了Region1的。

對(duì)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(kāi)始那個(gè)問(wèn)題。整個(gè)空間4GB被等分為8個(gè)子區(qū)，每個(gè)子區(qū)500MB。現(xiàn)在子區(qū)【Subregion】的MPU設(shè)置是這樣的：

MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x87;//10000111B

即有4個(gè)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(gè)子區(qū)【綠色0標(biāo)示出來(lái)的】適用Strongly ordered 存儲(chǔ)屬性。我們可以結(jié)合手冊(cè)具體看看各個(gè)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(chǔ)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(chǔ)區(qū)。看到這里，有人或許發(fā)現(xiàn)這個(gè)MPU配置只是個(gè)粗線條的配置，重點(diǎn)對(duì)外部存儲(chǔ)區(qū)域做了大致的初始背景配置，即配置為Strongly Ordered屬性。

在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)者往往會(huì)根據(jù)實(shí)際情況針對(duì)外部存儲(chǔ)器做進(jìn)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(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了看到開(kāi)篇提到的的針對(duì)整個(gè)4G空間的MPU初始配置外，還有諸多針對(duì)外部存儲(chǔ)區(qū)的特定MPU配置，比方下面這些就有針對(duì)外部SDRAM、QSPI、FMC控制的存儲(chǔ)設(shè)備的MPU配置。主要就Region編號(hào)、起始地址、空間大小、Cacheable、Bufferable、Shareable等屬性進(jìn)行配置?！鞠聢D中打紅色三角形的是針對(duì)整個(gè)4GB空間的MPU初始配置，其它打勾的是針對(duì)特定存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)區(qū)都落在圖7中的綠色區(qū)域空間，因?yàn)榇藭r(shí)的特定配置所用MPU區(qū)編號(hào)都要高于那個(gè)粗線條配置的區(qū)編號(hào)0。對(duì)于MPU配置而言，重疊區(qū)域的MPU配置以更大區(qū)編號(hào)的配置為準(zhǔn)。以圖8中64KB的SDRAM配置來(lái)看，此時(shí)從0xC0000000開(kāi)始的64KB區(qū)域不再適用Strongly Ordered存儲(chǔ)屬性，而適用Cacheable 、Write Through存儲(chǔ)屬性。

或許有人會(huì)問(wèn)，既然具體應(yīng)用時(shí)我們會(huì)針對(duì)所用存儲(chǔ)設(shè)備做更合適的MPU配置，為什么要事先基于整個(gè)4G空間做粗線條配置，對(duì)外部存儲(chǔ)空間做Strongly Ordered屬性的初始配置呢？那個(gè)粗線條的MPU初始配置豈不多余？

要解釋這個(gè)問(wèn)題，就涉及到另外一個(gè)話題，即Cortex M7內(nèi)核的試探性訪問(wèn)【關(guān)于試探性訪問(wèn)，這里不做過(guò)多解讀，有興趣查看相關(guān)內(nèi)核手冊(cè)】。當(dāng)內(nèi)核處理器因發(fā)生試探性訪問(wèn)去訪問(wèn)一個(gè)不存在的存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致訪問(wèn)死鎖，顯然這不是我們所希望的。

不過(guò)，試探性訪問(wèn)可以被阻止，即當(dāng)相應(yīng)存儲(chǔ)空間配置為Device或Strongly Ordered屬性時(shí)，是不會(huì)發(fā)生試探性訪問(wèn)的。

我們依然以上面提到的64KB的外部SDRAM來(lái)看，顯然它往往并沒(méi)有占據(jù)整個(gè)External Device空間，只是使用了有限的空間。如果說(shuō)SDRAM所占區(qū)域以外的空間的屬性不是Device或Strongly Ordered，若訪問(wèn)SDRAM時(shí)發(fā)生試探性訪問(wèn)跳到SDRAM實(shí)際容量以外的區(qū)域，此時(shí)因無(wú)實(shí)際存儲(chǔ)設(shè)備就可能出現(xiàn)死鎖之類的異常。為了防止這個(gè)問(wèn)題發(fā)生，就有了上面的事先針對(duì)4G空間做了粗線條的MPU配置，并特地將整個(gè)外部存儲(chǔ)設(shè)備所對(duì)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?yàn)橛脩舾鶕?jù)實(shí)際SDRAM容量更新過(guò)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(duì)綠色區(qū)域進(jìn)行試探性訪問(wèn)。

圖9、粗線條初始配置結(jié)合用戶更新的MPU配置

換句話說(shuō)，事先針對(duì)整個(gè)4G空間做MPU配置，正是為了明確那些沒(méi)有做特定MPU配置的外部存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)屬性，Strongly ordered 屬性配置恰好可以很好地防止M7處理器對(duì)并不存在實(shí)際存儲(chǔ)設(shè)備的空間進(jìn)行試探性訪問(wèn)而導(dǎo)致異常。這也就正好解釋了開(kāi)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(duì)4GB空間的MPU初始配置代碼，似乎也沒(méi)遇到啥問(wèn)題。這也正常。因?yàn)槟慵词雇鈹U(kuò)了存儲(chǔ)單元，并非一定會(huì)因?yàn)樵囂叫栽L問(wèn)導(dǎo)致異常。比方你外擴(kuò)了32MB的存儲(chǔ)單元，未必就一定會(huì)要用到最后一個(gè)位置，說(shuō)不定還剩余很多，遠(yuǎn)不至于用到最后邊界而讓CPU試探到不存在存儲(chǔ)器的空間。但是事先做那段初始配置，對(duì)系統(tǒng)是一個(gè)很好的未雨綢繆。就好像河邊安置防護(hù)欄一樣，沒(méi)有，也不至于天天怎么樣；有，肯定要安全保險(xiǎn)得多。

3. 問(wèn)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(diǎn)針對(duì)客戶的疑問(wèn)做了些解答，對(duì)MPU配置中的子區(qū)概念做了較為詳細(xì)的解讀，以供參考。

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