MPU功能详解，以RH850U2A为例-EDN 电子技术设计

 RH850U2A芯片是瑞萨公司针对电控类域控制器而发布的一块最新MCU芯片，功能及其强大。本文为RH850U2A-MPU功能详解。

前言

RH850U2A芯片是瑞萨公司针对电控类域控制器而发布的一块最新MCU芯片，功能及其强大。本文为RH850U2A-MPU功能详解。

1.MPU功能简述

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MPU保护与当前执行的代码“不相关“的所有数据。“不相关”是相关内存地址的权限受限制，或者是程序访问内存地址的范围于其无关，阻止关键数据被破坏，使嵌入式系统更加健壮与安全。

MPU作用主要有两个方面:为两个保护，一个检测。

1）MPU的保护作用

指访问区域的保护和读写区域的保护。

① 访问区域的保护。

可以将内存区域划为特权区域和普通区域，特权区域只有特权用户才能访问，普通用户被禁止访问，以此来保护特定的数据。

常见的应用场景：

1> 对带系统的来说，可以设置数据，以防止用户应用程序破坏操作系统使用过程中的数据。

2> 隔离任务,以防止一个任务访问其他任务的数据。

3> 将SRAM或者RAM空间定义为不可执行，防止代码注入。

② 读写区域的保护。

设置指定的区域为只读，可以有效的防止比较关键的数据被错误修改。

2）MPU的检测功能

指可以检测堆和栈的溢出情况及数组有没有越界。

功能安全中对内存分区MPU的相关描述：汽车ECU软件是高度模块化的嵌入式软件，其功能实现是可以为非功能安全，和功能安全的SWC组合，它们分别拥有不同的ASIL安全等级。

根据ISO26262，如果嵌入式软件包含不同ASIL等级的SWC，要么整个软件工程都需要基于最高安全等级的要求进行开发，需要保证拥有更高安全等级的SWC的操作不会受到其他SWC的干扰，也即需要做到FFI(Freedom from interference)的设计。

基于更低安全等级要求开发的SWC，可能会出现错误地访问到更高安全等级SWC的内存区域，产生干扰。

为此，SWC需要运行在不同的内存区域，或者不同的内存分区，来防止类似的内存访问违例。

ISO26262中，以下内存相关的故障影响被视为SWC之间产生干扰的原因：

-内容损坏

-读写区域属于另一个SWC

-数据不一致

-栈溢出或栈下溢

要满足上述定义，是MPU内存保护的目标，也可以通过限制对于内存以及内存对应的硬件的访问。

这里的内存分区意味着:

各OS Application运行在相互保护（不干涉）的内存区域，在某一个分区上运行的代码，无法修改另一个分区的内存。

内存分区也可以保护只读内存段（例如代码执行）以及内存对应的硬件。

内存分区和用户/特权模式可以保证SWC之前互不干扰——即使某一个SWC出现了内存相关的故障，也不会对其他软件模块有影响。

如果一个SWC运行在用户模式，那么它对CPU资源/指令的访问也是受限制的。

MPU的微控制器有专用的硬件：即内存保护单元（MPU），来支持内存分区。

2.RH850内存保护单元架构

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RH850U2A芯片具有内存保护/保护功能，防止对内存数据的错误访问，并控制外围模块的寄存器。下图1显示了内存保护的整体架构。每个可编程核心(总线主机)都有一个内存保护单元(MPU)，它定义了软件访问保护。此外，每个资源(总线从设备)都有一个守卫来控制任何总线主设备的访问，包括那些没有MPU的，比如DMA。

3.使用RH850U2A的MPU

3.1 RH850U2A的MPU配置过程

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1）第一步，配置MPIDn寄存器。在使能了MPU功能后，哪些硬件模块还可以访问所有的内存保护区域。

2）第二步，配置MPIDX寄存器。配置每一个内存保护块的时候，需要先配置MPIDX寄存器直没entry ID。

3）第三步，配置MPLA寄存器。配置每一个内存保护块的Minimum地址。

4）第四步，配置MPUA寄存器。配置每一个内存保护块的Maximum地址。

5）第五步，配置MPAT寄存器。配置每一个内存保护块的USER/SVP模式下的可读、可写、可执行的属性。

6）第6步，配置MPM寄存器。使能MPU功能。

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3.2 RH850U2A-MPU相关寄存器配置使用的指令

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使用 void __LDSR(int regID, int selID, unsigned int val);

Note: 什么是寄存器的regID和sellD? -- __LDSR()函数接受一个32位整数参数(作为它的最后一个参数)，并将其存储到系统寄存器中，与它的第一个参数指定的数字相对应，该参数必须立即是一个常量。在RH850和以后的处理器上，它还需要另一个参数，该参数指定寄存器组号，它必须立即是一个常量。简单来讲regID就是寄存器ID，sellD就是寄存器所在的组ID。

3.3 配置MPID寄存器

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MPID寄存器配置哪一些模块可以直接访问内存保护区域。

下表记录了有哪些SPID可以配置为直接访问内存保护区域。

示例：__LDRS(24, 5, 0) //CPU0可以访问保护区域

3.4配置MPIDX寄存器

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每一个内存保护块都有一个IDX（最多32个，0-31），在配置每一个内存保护块的访问属性的时候，首先要配置MPIDX寄存器。

示例：__LDRS(16,5,0); //通过MPIDX寄存器配置第一个entry的IDX。

3.5配置MPLA寄存器

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MPLA配置当前内存保护块（MPIDX == 0-31）的起始地址（Minimum Address）。

示例：__LDRX(20,5, 0x00007F00);

3.6配置MPUA寄存器

MPLA配置当前内存保护块（MPIDX == 0-31）结束地址（Maximum Address）。

示例：__LDRS(20,5,0x00017FFC);

3.7 配置MPAT寄存器

MPAT寄存器配置每一个内存保护块的访问属性（user模式下的可读UR、可写UW、可执行UX; supervisor模式下的可读SR、可写SW、可执行SX）。

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3.8 配置MPM寄存器

使能（Enable）MPU功能。

4.内存保护单元MPU异常提示信息

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4.1 MDP/MIP Exception

产生内存保护后会产生MIP/MDP Exception（异常中断地址偏移，0x90，如果我们设置EBASE为0x00080000，那么异常中断的绝对地址就是0x00080090）。

在MIP/MDP Exception的异常中断处理函数汇总一般会条用_Os_Abort触发OS调用ShutdownHook函数，在这个函数里面我们可以做一些故障信息保存动作。

4.2 MEA和MEI寄存器

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产生了MIP/MDP异常之后，MEA寄存器会存储异常地址，MEI寄存器会存储异常指令。

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5.总结

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本文介绍了MPU的基本原理，以及结合RH850U2A芯片详细介绍了MPU的配置使用过程，同时介绍了MPU保护功能产生后如何去识别异常信息。MPU在实际项目功能中非常的有用，如果使能了MPU，同时能通过有效的方法记录MPU异常中断时的MEI/MEA寄存器的信息，那么在发生了异常复位后就能通过历史信息来定位复位的SWC（实际项目中不可能一直都有仿真的机会，所以这个功能非常的重要）。

Note: MPU的配置及使能一般都是在EcuM_Init之前完成。

责编：Ricardo

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MPU功能详解，以RH850U2A为例

1.MPU功能简述

2.RH850内存保护单元架构

3.使用RH850U2A的MPU

3.1 RH850U2A的MPU配置过程

3.2 RH850U2A-MPU相关寄存器配置使用的指令

3.3 配置MPID寄存器

3.4配置MPIDX寄存器

3.5配置MPLA寄存器

3.6配置MPUA寄存器

3.7 配置MPAT寄存器

3.8 配置MPM寄存器

4.内存保护单元MPU异常提示信息

4.1 MDP/MIP Exception

4.2 MEA和MEI寄存器

5.总结