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本节介绍Cortex-M0+处理器内集成的存储器保护单元（Memory Protection Unit，MPU）。MPU将存储器映射到多个区域，并定义每个区域的位置、大小、访问权限和存储器属性。它支持：
（1）每个区域独立的属性设置；
（2）重叠区域；
（3）将存储器属性导出到系统中。
存储器属性会影响对区域的存储器访问行为。MPU定义如下。
（1）8个单独的存储区域，0～7。
（2）背景区域。
当存储区域重叠时，存储器的访问将受到编号最大的区域属性的影响。例如，区域7的属性优先于与区域7重叠的任何区域的属性。
背景区域具有与默认存储器映射相同的存储器属性，但只能通过特权软件访问。
MPU的存储器映射是统一的。这意味着指令访问和数据访问具有相同的区域设置。如果程序访问MPU禁止的存储器位置，则处理器会生成硬件故障异常。
在搭载了操作系统（Operating System，OS）的环境下，内核可以根据要执行的进程动态更新MPU区域的设置。典型的例子：一个嵌入式的操作系统使用MPU进行存储器保护。
可用的MPU属性如表2.14所示。
表2.14 可用的MPU属性
在MPU中，提供了MPU寄存器，用于定义MPU的区域和它们的属性，如表2.15所示。
表2.15 MPU寄存器总结
1.MPU_TYPE寄存器
MPU类型寄存器（MPU Type Register，MPU_TYPE）指示是否存在MPU，如果存在，则指示它支持多个区域。该寄存器的位分配如图2.32所示。
图2.32 MPU_TYPE的位分配
其中：
（1）[31：24]：Reserved（保留）。
（2）[23：16]：IREGION[7：0]，表示支持的MPU指令区域的数量。该字段的值总是0x00。MPU存储器映射是统一的，由DREGION字段描述。
（3）[15：8]：DREGION[7：0]，表示支持的MPU数据区域的数量。取值为：
①0x00=0个区域（如果使用的器件中不包含MPU）；
②0x08=8个区域（如果使用的器件中包含MPU），该器件使用该取值。
（4）[7：1]：Reserved（保留）。
（5）[0]：SEPARATE，表示支持统一的或独立的指令和数据存储器映射。
①0=统一的，该器件使用该取值。
②1=独立的指令和数据存储器映射。
2.MPU_CTRL寄存器
MPU控制寄存器（MPU Control Register，MPU_CTRL）的功能如下。
（1）使能MPU。
（2）使能默认的存储器映射背景区域。
（3）当在硬件故障或不可屏蔽中断句柄中时，使能MPU。
MPU_CTRL的位分配如图2.33所示。
图2.33 MPU_CTRL的位分配
其中：
（1）[31：3]：Reserved（保留）。
（2）[2]：PRIVDEFENA，使能特权软件访问默认的存储器映射。
①0：如果使能MPU，则禁止使用默认的存储器映射。对任何使能区域未覆盖的位置的任何存储器访问都会导致故障。
②1：如果使能MPU，则使能使用默认的存储器映射作为特权软件访问的背景区域。
注： 当使能时，背景区域的作用就好像是区域编号-1。任何定义和使能区域都优先于该默认设置。如果禁止MPU，则处理器将忽略该位。
（3）[1]：HFNMIENA，在硬件故障和NMI句柄期间，使能MPU操作。当使能MPU时：
①0，在硬件故障和NMI句柄期间，禁止MPU，无论ENABLE位的值如何设置；
②1，在硬件故障和NMI句柄期间，使能MPU。
当禁止MPU时，如果将该位设置为1，则行为不可预测。
（4）[0]：ENABLE，使能MPU。当该位为：
①0，禁止MPU；
②1，使能MPU。
当ENABLE和PRIVDEFENA位都设置为1时：
（1）特权访问的默认存储空间映射如2.3.1节所述，特权软件对非使能存储区域地址的访问，其行为由默认存储空间映射定义；
（2）非特权软件对非使能存储区域地址的访问，将引起存储器管理（MemManage）故障。
XN和强顺序规则始终应用于系统控制空间，与ENABLE位的值无关。
当ENABLE位设置为1时，除非PRIVDEFENA位设置为1，否则至少必须使能存储器映射的一个区域用于系统运行。如果PRIVDEFENA位设置为1，但是没有使能任何区域，则仅特权软件可以运行。
当ENABLE位设置为0时，系统使用默认的存储器设置，这就好像没有实现MPU一样。默认的存储器映射适用于特权和非特权的软件访问。
当使能MPU后，始终允许访问系统控制空间和向量表。是否可以访问其他区域，要根据区域和PRIVDEFENA位是否设置为1。
除非HFNMIENA位设置为1，否则当处理器执行优先级为-1或-2的异常句柄时，不会使能MPU。这些优先级仅在处理硬件故障或NMI异常时才可能出现。设置HFNMIENA位为1将使能MPU。
3.MPU_RNR寄存器
MPU区域编号寄存器（MPU Region Number Register，MPU_RNR）选择寄存器MPU_RBAR和MPU_RASR引用的存储器区域，该寄存器的位分配如图2.34所示。
图2.34 MPU_RNR的位分配
其中：
（1）[31：8]：Reserved（保留），必须保持清零。
（2）[7：0]：REGION。该字段指示MPU_RBAR和MPU_RASR寄存器引用的MPU区域。MPU支持8个存储器区域，因此该字段允许的值为0～7。
通常，在访问MPU_RBAR或MPU_RASR之前，需要将所要求的区域号写到该寄存器中。但是，用户可以通过将MPU_RBAR的VALID位设置为1来更改区域号。
4.MPU_RBAR寄存器
MPU区域基地址寄存器（MPU Region Base Address Register，MPU_RBAR）定义由MPU_RNR选择的MPU区域的基地址，并且写入该寄存器可以更新MPU_RNR的值。将该寄存器的VALID位设置为1来写入MPU_RBAR，以更改当前区域编号并更新MPU_RNR。该寄存器的位分配如图2.35所示。
图2.35 MPU_RBAR的位分配
其中：
（1）[31： N ]：ADDR[31： N ]为区域基地址字段， N 的具体取值取决于区域的大小。
（2）[ N -1：5]：保留字段，硬件将其强置为0。
（3）[4]：VALID，MPU区域号有效。当写入时：
①0，MPU_RNR没有变化，处理器更新MPU_RNR中指定区域的基地址，且忽略REGION字段的值；
②1，处理器将MPU_RNR的值更新为REGION字段的值，且更新REGION字段中指定区域的基地址。
当读取时，总是返回0。
（4）[3：0]：REGION[3：0]。MPU区域字段。对于写行为，参见VALID字段的描述。当读取该字段时，返回当前区域的编号，它由MPU_RNR指定。
如果区域大小为32B，ADDR字段是[31：5]，则没有保留字段。ADDR字段是MPU_RBAR的[31： N ]位。区域大小，由MPU_RASR指定， N 值由下式定义：
N =log 2 （以字节为单位的区域大小）
如果在MPU_RASR中将区域大小配置为4GB，则没有有效的ADDR字段。在这种情况下，区域完全占据了整个存储器映射空间，基地址为0x00000000。
基地址必须对齐区域大小，如一个64KB区域必须对齐64KB的整数倍。例如，在0x00010000或0x00020000的起始地址的位置。
5.MPU_RASR寄存器
MPU区域属性和大小寄存器（MPU Region Attribute and Size Register，MPU_RASR）定义MPU_RNR所指定的MPU区域的大小和存储器属性，并使能该区域和任何子区域，该寄存器的位分配如图2.36所示。
图2.36 MPU_RASR的位分配
其中：
（1）[31：29]：Reserved（保留）。
（2）[28]：XN，指令访问禁止位。
①0=使能取指令；
②1=禁止取指令。
（3）[27]：Reserved，保留，硬件将其强置为0。
（4）[26：24]：AP[2：0]，访问允许字段，详见后面的说明。
（5）[23：19]：Reserved，保留，硬件将其强置为0。
（6）[18]：S，可共享的位，详见后面的说明。
（7）[17]：C，可缓存的位，详见后面的说明。
（8）[16]：B，可缓冲的位，详见后面的说明。
（9）[15：8]：SRD[7：0]，子区域禁止位（Subregion Disable Bits，SRD）。对于该字段中的每一位：
①0=使能对应的子区域；
②1=禁止对应的子区域。
（10）[7：6]：Reserved，保留，硬件将其强置为0。
（11）[5：1]：SIZE，MPU保护区域的大小，指定MPU区域的大小，允许的最小值为7（b00111）。以字节为单位的区域的大小与SIZE字段值之间的关系为：
（以字节为单位的区域）=2 （SIZE+1）
最小允许的区域大小为256B，对应的SIZE的值为7，表2.16给出了SIZE值的对应关系，包括与对应的区域大小，以及MPU_RBAR中 N 的值。
表2.16 SIZE值的对应关系
（12）[0]：ENABLE，区域使能位。当复位时，所有区域的区域使能位都将复位为0。这使得用户可以进入要使能的区域进行编程。
本节介绍MPU访问权限属性。MPU_RASR的访问许可位C、B、S、AP和XN控制对相对应存储区域的访问。如果访问一个没有授权的存储器区域，则MPU会产生许可故障。C、B、S编码和存储器属性的关系如表2.17所示。AP编码和软件特权级的关系如表2.18所示。
表2.17 C、B、S编码和存储器的关系
表2.18 AP编码和软件特权级的关系
如果更新一个MPU区域的属性，则需要更新MPU_RNR、MPU_RBAR和MPU_RASR。
注： 建议参考后面章节指令集的内容来学习本节内容。
假设寄存器R1保存区域编号，寄存器R2保存大小和使能，寄存器R3保存区域属性，寄存器R4保存区域基地址，则更新MPU区域的指令如下：
软件必须使用存储器屏障指令：
（1）在设置MPU之前，如果可能存在未完成的存储器传输（如缓冲的写），则可能会受到MPU设置更改的影响；
（2）在设置MPU之后，如果其中包含存储器传输，则必须使用新的MPU设置。
但是，如果MPU设置过程起始于进入异常句柄，或者后面跟着异常返回，则不需要同步屏障指令，因为异常进入和异常返回机制都会引起存储器屏障行为。
例如，如果希望所有存储器访问行为在编程序列后理解生效，就使用DSB指令和ISB指令。在改变MPU设置后，如在上下文切换结束时，就需要DSB指令。如果代码编程MPU区域或者使用分支或者调用进入了MPU区域，则要求使用ISB。如果使用从异常返回或通过采纳一个异常来进入程序序列，则不需要ISB。
区域被分为8个大小相等的子区域。在MPU_RASR的SRD字段中设置相应的位以禁用子区域。SRD的最低有效位控制第一个子区域，最高有效位控制最后一个子区域。禁用子区域意味着与禁用范围匹配的另一个区域将匹配。如果没有其他启用的区域与禁用的子区域重叠，则MPU发出故障。下面给出子区域及用法示例，如图2.37所示。在该示例中，两个带有相同地址的区域重叠。区域1是128KB，区域2是512KB。为了确保区域1的属性能应用于区域2的第128KB区域，将区域2的SRD字段设置为b00000011，以禁止前两个子区域。
图2.37 子区域及用法示例
为了避免出现不期望的行为，在更新中断句柄可能访问的区域属性之前禁止中断。当设置MPU时，如果先前已经对MPU进行过编程，那么禁用未使用的区域，以阻止任何先前的区域设置影响新的MPU设置。
通常，微控制器只有一个处理器并且没有高速缓存。微控制器的存储器区域属性如表2.19所示。
表2.19 微控制器的存储器区域属性
在大多数微控制器实现中，可共享性和缓存策略不会影响系统行为。但是，将这些设置用于MPU区域可以使应用程序代码更具有可移植性，给出的值用于典型情况。在特殊系统中，如多处理器设计或具有单独DMA引擎的设计，可共享性可能会非常重要。在这种情况下，请参考存储设备制造商的建议。