17、MPU/MMU初始化：在启动阶段保护内存区域

说实话，MPU和MMU这俩东西，刚入行那会儿我总觉得它们是操作系统的活，跟我写启动代码没啥关系。直到有一次，一个同事在bootloader里不小心写穿了某个关键数据区，整块板子直接变砖——嗯，从那以后，我再也不敢轻视启动阶段的内存保护了。

今天我们就聊聊，在系统刚上电、C环境还没完全跑起来的时候，怎么用MPU或MMU把内存区域管起来。

为什么启动阶段就需要内存保护？

你想想看，芯片上电后，CPU跑的第一段代码通常是汇编写的。这时候没有操作系统，没有任务调度，甚至连栈指针都可能还没设好。如果这时候某个外设的DMA突然写了一块不该写的地方，或者你的代码里一个野指针乱飞——后果就是死机、跑飞、甚至烧外设。

我个人习惯，在跳转到main()之前，就把MPU/MMU配好。哪怕只是简单配几个region，也能挡住绝大多数低级错误。

MPU vs MMU：你该选哪个？

很多初学者分不清这俩。我简单说下：

• MPU（内存保护单元）：只做保护，不做地址映射。常见于Cortex-M系列MCU。配置简单，开销小。
• MMU（内存管理单元）：既能保护，又能做虚拟地址到物理地址的映射。常见于Cortex-A系列应用处理器。配置复杂，但功能强大。

在启动阶段，如果你用的是MCU，基本就是MPU；如果是跑Linux的SoC，那肯定是MMU。但不管哪种，初始化的思路是相通的。

MPU初始化实战：以Cortex-M7为例

我记得第一次在STM32H7上配MPU，踩了个坑——没配内存属性，结果CPU访问外部SRAM时总是卡死。后来才发现，MPU不光管权限，还管缓存策略和内存类型。

下面是一个典型的启动阶段MPU配置流程：

/* 启动阶段MPU配置示例 */
void mpu_early_init(void)
{
    /* 1. 先禁用MPU，防止配置过程中产生异常 */
    MPU->CTRL = 0;

    /* 2. 配置region 0：内部SRAM，全权限，可缓存 */
    MPU->RBAR = (0x20000000UL | MPU_REGION_VALID | 0 << 1);
    MPU->RASR = (MPU_AP_PRIV_RW_USER_RW |
                 MPU_MEM_NORMAL_WBWA |
                 MPU_REGION_SIZE_64KB |
                 MPU_REGION_ENABLE);

    /* 3. 配置region 1：外设寄存器区，禁止缓存，只允许特权访问 */
    MPU->RBAR = (0x40000000UL | MPU_REGION_VALID | 1 << 1);
    MPU->RASR = (MPU_AP_PRIV_RW_USER_NO |
                 MPU_MEM_DEVICE_NGnRE |
                 MPU_REGION_SIZE_1MB |
                 MPU_REGION_ENABLE);

    /* 4. 配置region 2：Boot ROM，只读 */
    MPU->RBAR = (0x08000000UL | MPU_REGION_VALID | 2 << 1);
    MPU->RASR = (MPU_AP_PRIV_RO_USER_RO |
                 MPU_MEM_NORMAL_NC |
                 MPU_REGION_SIZE_1MB |
                 MPU_REGION_ENABLE);

    /* 5. 使能MPU，并启用默认背景region */
    MPU->CTRL = MPU_CTRL_ENABLE | MPU_CTRL_PRIVDEFENA;

    /* 6. 数据同步屏障，确保配置生效 */
    __DSB();
    __ISB();
}

MMU初始化：页表是个体力活

MMU的初始化比MPU复杂得多，因为你要先建页表。页表说白了就是一张大表，告诉MMU每个虚拟地址对应哪个物理地址，以及有什么权限。

在启动阶段，我一般只建一级页表（section映射），每个条目覆盖1MB空间。这样页表只有4096个条目，16KB大小，放在一个固定的物理地址上。

/* 启动阶段MMU一级页表初始化（简化版） */
#define PAGE_TABLE_BASE   0x40000000  /* 页表基址，需16KB对齐 */

void mmu_early_init(void)
{
    uint32_t *pte = (uint32_t *)PAGE_TABLE_BASE;
    uint32_t va;

    /* 清空页表 */
    for (va = 0; va < 4096; va++) {
        pte[va] = 0;
    }

    /* 映射0x00000000 - 0x3FFFFFFF：设备内存，不可缓存 */
    for (va = 0; va < 1024; va++) {
        pte[va] = (va << 20) |          /* 物理地址 = 虚拟地址 */
                  (0x2 << 10) |          /* 域 = 2 */
                  (3 << 10) |            /* 访问权限：全权限 */
                  (0 << 3) |             /* 不可缓存 */
                  (1 << 1) |             /* 段映射 */
                  1;                      /* 有效 */
    }

    /* 映射0x40000000 - 0x7FFFFFFF：DDR内存，可缓存，可写 */
    for (va = 1024; va < 2048; va++) {
        pte[va] = (va << 20) |
                  (0x2 << 10) |
                  (3 << 10) |
                  (1 << 3) |             /* 可缓存，写回 */
                  (1 << 1) |
                  1;
    }

    /* 设置TTB（Translation Table Base）寄存器 */
    __set_TTBR0(PAGE_TABLE_BASE);

    /* 设置域访问控制：域2为客户端模式（检查权限） */
    __set_DACR(0x55555555);

    /* 使能MMU */
    uint32_t sctlr = __get_SCTLR();
    sctlr |= (1 << 0);  /* M位：使能MMU */
    __set_SCTLR(sctlr);

    __DSB();
    __ISB();
}

避坑指南：我踩过的几个坑

• 坑一：MPU region重叠——我曾经配了两个重叠的region，一个设成可执行，一个设成不可执行。结果CPU执行到那块区域时，行为完全不可预测。后来我养成了习惯：配完MPU后，遍历所有region检查是否有重叠。
• 坑二：MMU页表放在未初始化内存里——DDR刚初始化完，里面的数据是随机的。如果你直接把页表放进去，MMU读到的全是垃圾。正确做法：要么用内部SRAM放页表，要么在配MMU之前先把DDR的那块区域清零。
• 坑三：忘了配域访问控制——MMU的域（Domain）是个好东西，但很多人配完页表就忘了设DACR。默认情况下所有域都是“无访问”，结果MMU一使能就触发异常。

一张图看懂启动阶段内存保护

下面这张图，是我自己总结的启动阶段MPU/MMU初始化流程。每次做新项目，我都会照着这个框架走一遍。

写在最后

MPU和MMU的初始化，说白了就是给内存区域贴上“标签”——哪块能读、哪块能写、哪块能执行、哪块需要缓存。这些标签在启动阶段就贴好，后面整个系统的稳定性就有了基础保障。

我个人建议，哪怕你的项目暂时用不到MPU/MMU的全部功能，也至少配一个最小的保护集：把外设寄存器区设成不可缓存，把关键数据区设成只读。这点工作量，换来的是少熬几个通宵查bug——我觉得挺值的。

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