MPU簡介

　　MPU有兩種意思，微處理器和內(nèi)存保護(hù)單元。MPU是單一的一顆芯片，而芯片組則由一組芯片所構(gòu)成，早期甚至多達(dá)7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge）芯片。MPU是計(jì)算機(jī)的計(jì)算、判斷或控制中心，有人稱它為”計(jì)算機(jī)的心臟”。

　　MPU［1］ （Microprocessor Unit）微處理器微機(jī)中的中央處理器（CPU）稱為微處理器（MPU），是構(gòu)成微機(jī)的核心部件，也可以說是微機(jī)的心臟。它起到控制整個(gè)微型計(jì)算機(jī)工作的作用，產(chǎn)生控制信號對相應(yīng)的部件進(jìn)行控制，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。在微機(jī)中，CPU被集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為微處理器（MPU），微處理器插在主板的cpu插槽中。通常所說的16位機(jī)、32位機(jī)是指該計(jì)算機(jī)中微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度，也就是CPU可同時(shí)操作的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。目前常用的CPU都是64位的，即一次可傳送64位二進(jìn)制數(shù)。

MPU百科

　　MPU有兩種意思，微處理器和內(nèi)存保護(hù)單元。MPU是單一的一顆芯片，而芯片組則由一組芯片所構(gòu)成，早期甚至多達(dá)7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge）芯片。MPU是計(jì)算機(jī)的計(jì)算、判斷或控制中心，有人稱它為”計(jì)算機(jī)的心臟”。

　　MPU［1］ （Microprocessor Unit）微處理器微機(jī)中的中央處理器（CPU）稱為微處理器（MPU），是構(gòu)成微機(jī)的核心部件，也可以說是微機(jī)的心臟。它起到控制整個(gè)微型計(jì)算機(jī)工作的作用，產(chǎn)生控制信號對相應(yīng)的部件進(jìn)行控制，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。在微機(jī)中，CPU被集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為微處理器（MPU），微處理器插在主板的cpu插槽中。通常所說的16位機(jī)、32位機(jī)是指該計(jì)算機(jī)中微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度，也就是CPU可同時(shí)操作的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。目前常用的CPU都是64位的，即一次可傳送64位二進(jìn)制數(shù)。

　　功能構(gòu)成

　　微處理器的功能結(jié)構(gòu)主要包括：運(yùn)算器、控制器、寄存器三部分：運(yùn)算器的主要功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的指揮中心，其主要作用是控制程序的執(zhí)行。包括對指令進(jìn)行譯碼、寄存，并按指令要求完成所規(guī)定的操作，即指令控制、時(shí)序控制和操作控制。寄存器用來存放操作數(shù)、中間數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)。

　　主要技術(shù)參數(shù)

　　CPU質(zhì)量的高低直接決定了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檔次，而CPU的主要技術(shù)特性可以反映出CPU的基本性能。CPU的主要技術(shù)參數(shù)如下：⑴ CPU可以同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，即字長；⑵ 時(shí)鐘頻率；⑶ 高速緩沖存儲器（Cache）的容量和速率；⑷ 地址總線和數(shù)據(jù)總線的寬度；⑸ 制造工藝。

　　內(nèi)存保護(hù)

　　內(nèi)存保護(hù)單元（ARM體系方面）（MPU，Memory Protection Unit），MPU中一個(gè)域就是一些屬性值及其對應(yīng)的一片內(nèi)存。這些屬性包括：起始地址、長度、讀寫權(quán)限以及緩存等。ARM940具有不同的域來控制指令內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存。內(nèi)核可以定義8對區(qū)域，分別控制8個(gè)指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)域。域和域可以重疊并且可以設(shè)置不同的優(yōu)先級。域的啟始地址必須是其大小的整數(shù)倍。另外，域的大小可以4K到4G間任意一個(gè)2的指數(shù)，如4K，8K，16K.。。。。英漢計(jì)算機(jī)詞匯= Main Processing Unit，主處理機(jī); = Memory Protection Unit， 存儲器保護(hù)設(shè)備; = MicroProcessing Unit， 微處理器［機(jī)］; = MicroProgrammed control Unit， 微程序控制器; = MicroProgramming Unit， 微程序設(shè)計(jì)部件; = Miniature Power Unit， 小型電源設(shè)備

　　MCU和MPU有什么區(qū)別

　　MPU有兩種意思，微處理器和內(nèi)存保護(hù)單元。MPU是單一的一顆芯片，而芯片組則由一組芯片所構(gòu)成，早期甚至多達(dá)7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge）芯片。MPU是計(jì)算機(jī)的計(jì)算、判斷或控制中心，有人稱它為”計(jì)算機(jī)的心臟”。

　　中央處理器（CPU，英語：Central Processing Unit），是電子計(jì)算機(jī)的主要設(shè)備之一，電腦中的核心配件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。

　　ARM存儲器之：存儲保護(hù)單元MPU

　　存儲保護(hù)單元MPU

　　一些嵌入式系統(tǒng)使用多任務(wù)的操作和控制。這些系統(tǒng)必須提供一種機(jī)制來保證正在運(yùn)行的任務(wù)不破壞其他任務(wù)的操作。即要防止系統(tǒng)資源和其他一些任務(wù)不受非法訪問。要達(dá)到這一目的通常有軟件保護(hù)和硬件保護(hù)兩種途徑。這里軟件保護(hù)是指僅靠軟件來保護(hù)系統(tǒng)資源。系統(tǒng)中無保護(hù)硬件或硬件沒啟動。在多任務(wù)的系統(tǒng)中，通常要運(yùn)行操作系統(tǒng)來達(dá)到任務(wù)間同步與通信。所以，這種軟件的資源保護(hù)通常由操作系統(tǒng)來完成。但這種通過軟件來協(xié)調(diào)任務(wù)運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)資源的做法有時(shí)會出現(xiàn)一些不可避免的問題。如當(dāng)對一個(gè)通信用串口寄存器進(jìn)行操作時(shí)，如果一個(gè)任務(wù)正在使用串口，則它沒有辦法來防止其他任務(wù)使用同一個(gè)串口。因此，若要成功使用該串口，則必須通過一個(gè)訪問該串口的系統(tǒng)調(diào)用來協(xié)調(diào)。使用這些調(diào)用任務(wù)的非授權(quán)訪問，很容易破壞經(jīng)過該串口的通信。因此資源的不合理使用也許是不可避免的。

　　相反，受保護(hù)系統(tǒng)有專門的硬件來檢測和限制系統(tǒng)資源的訪問。它能保證資源的所有權(quán)，任務(wù)需要遵守一組由操作環(huán)境定義的、由硬件維護(hù)的規(guī)則，在硬件級上授予監(jiān)視和控制資源程序的特殊權(quán)限。受保護(hù)系統(tǒng)主動防止一個(gè)任務(wù)使用其他任務(wù)的資源。因此使用硬件主動監(jiān)視系統(tǒng)比協(xié)調(diào)加強(qiáng)的軟件歷程，提供了更好的保護(hù)。

　　ARM中配備的有效保護(hù)系統(tǒng)資源的硬件，有兩種：

　　· MPU（Memory Protection Unit）；

　　· MMU（Memory Management Unit）。

　　MMU是比MPU提供了功能更強(qiáng)大的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，MPU只提供了內(nèi)存區(qū)域保護(hù)，而MMU是在此基礎(chǔ)上提供了虛擬地址映射技術(shù)，而且在操作上，MMU要比MPU負(fù)責(zé)。本節(jié)主要討論帶MPU的處理器內(nèi)核，MMU將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

　　15.4.1 保護(hù)域（Protection Regions）

　　ARM處理器中的MPU使用“域（regions）”來對內(nèi)存單元進(jìn)行管理。域是與存儲空間相關(guān)聯(lián)的屬性，處理器核將這些數(shù)據(jù)保存在協(xié)處理器CP15的一些寄存器中。通常域的個(gè)數(shù)為8個(gè)，編號為從0～7。

　　域的大小和起始地址保存在CP15的寄存器c6中。大小可以是4KB～4GB的任何2的乘冪。域的起始地址必須是其大小的倍數(shù)。比如，一個(gè)定義為4KB的域其起始地址可以是0x12345000，而一個(gè)大小定義為8KB的域起始地址只能是0x2000的倍數(shù)。

　　另外，操作系統(tǒng)可以為這些域分配更多的屬性：訪問權(quán)限、cache和寫緩存。存儲器基于當(dāng)時(shí)的處理器模式（管理模式或用戶模式）可以設(shè)定這些區(qū)域的訪問權(quán)限為讀/寫、只讀和不可訪問。

　　當(dāng)處理器訪問主存的一個(gè)域時(shí)，MPU比較該域的訪問權(quán)限屬性和當(dāng)時(shí)的處理器模式。如果請求符合域的訪問標(biāo)準(zhǔn)，則MPU允許內(nèi)核讀/寫主存；如果存儲器請求不符號域的訪問標(biāo)準(zhǔn)，將產(chǎn)生一個(gè)異常信號。

　　異常信號被送到處理器核。處理器核執(zhí)行一個(gè)異常向量，然后跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，異常處理程序判斷異常類型為預(yù)取指或數(shù)據(jù)中止，然后根據(jù)異常類型，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)例程。

　　對于ARM處理器，存儲空間的某一部分可以被分配給一個(gè)以上的區(qū)域。也就是說域可以重疊。在重疊的域內(nèi)，可以設(shè)置域的優(yōu)先級。在分配訪問權(quán)限時(shí)重疊域比非重疊域有更大的靈活性。后面一節(jié)將會詳細(xì)介紹域的重疊。

　　內(nèi)存訪問順序

　　當(dāng)ARM處理器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存訪問信號時(shí)，內(nèi)存保護(hù)單位MPU將負(fù)責(zé)檢查要訪問的地址是否在被定義的域中。

　　① 如果地址不在任何域中，存儲器產(chǎn)生異常。如果內(nèi)核預(yù)取指令則MPU產(chǎn)生預(yù)取中止異常；如果是存儲器數(shù)據(jù)請求，則產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。

　　② 如果地址在多個(gè)域內(nèi)，由MPU判斷域的有效級來決定存儲區(qū)域的訪問屬性。訪問屬性可以在CP15的寄存器中設(shè)定，可設(shè)定的位為C（Cache）、B（Buffer）、AP（Access Permission）。這些屬性的具體定義為：

　　· C和B可以控制Cache和寫緩存屬性的Cache策略。例如，可以設(shè)置一個(gè)域使用回寫（write－back）策略訪問存儲器，而另一個(gè)域則以無Cache和無寫緩存方式訪問；

　　· AP（access permission）決定域是否可以被訪問。如果在當(dāng)前處理器模式下，該域不能被訪問，MPU將產(chǎn)生一個(gè)存儲器訪問異常。

　　圖15.16顯示了一個(gè)存儲器訪問過程。

　　圖15.16 存儲器訪問過程

　　15.4.3 使能MPU

　　通過對協(xié)處理器CP15的寄存器c1中的bit［0］置1，可以使能存儲器保護(hù)單元MPU。在系統(tǒng)上電時(shí)，默認(rèn)狀態(tài)是該位清零，所有保護(hù)域無效。

　　在使能MPU之前，至少一個(gè)域要被設(shè)定，而且該域的屬性和訪問權(quán)限要預(yù)先設(shè)定好。

　　注意在數(shù)據(jù)和指令域分離的系統(tǒng)中，如ARM940T，在指令和數(shù)據(jù)域中都要有一個(gè)有效域被預(yù)先設(shè)定好。

　　另外，使能MPU的指令要設(shè)在有效的域中。如果在使能MPU之前，域的屬性和訪問權(quán)限沒有設(shè)定，那么系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果將不可預(yù)知。

　　當(dāng)MPU無效（將協(xié)處理器CP15寄存器r1的bit［0］置0）時(shí)，整個(gè)內(nèi)存區(qū)域都被處理器視為無Cache、無寫緩存、無存儲保護(hù)狀態(tài)。

　　15.4.4 重疊域

　　域的定義在MPU的作用下可以重疊。當(dāng)重疊的域被訪問時(shí)，MPU會判斷域的優(yōu)先權(quán)，決定使用那個(gè)域的屬性來操作重疊域。

　　域?qū)傩詢?yōu)先級的排列順序?yàn)椋河?的有效級最高，其次為域6，域0的優(yōu)先級最低。

　　【例15.3】

　　假設(shè)將一個(gè)從0x3000起始的4KB地址空間定義為域2，其訪問屬性AP定義為0b10（AP=0b10，特權(quán)模式讀/寫訪問，用戶模式只讀）。

　　將起始地址為0x0的16KB地址空間定義為域1，其訪問屬性AP定義為0b01（AP=0b01，特權(quán)模式只讀）。

　　系統(tǒng)域劃分如圖15.17所示。

　　圖15.17 重疊域的訪問

　　當(dāng)處理器在用戶模式下執(zhí)行Load指令，從0x3010地址取數(shù)據(jù)時(shí)，0x3010地址既在域1中也在域2中，因?yàn)橛?的屬性優(yōu)先級高于域1，所有MPU執(zhí)行域2的訪問屬性從0x3010地址取數(shù)據(jù)。域2是用戶模式可讀，所以不會發(fā)生數(shù)據(jù)異常。

　　在分配訪問權(quán)限時(shí)重疊區(qū)域比非重疊區(qū)域有更大的靈活性，它可以使內(nèi)存的某個(gè)特定聯(lián)系內(nèi)存單位在程序中擔(dān)任背景的作用，用來給一塊大存儲空間分配相同的屬性的低優(yōu)先級域。其他具有較高優(yōu)先級域的區(qū)域與該背景域某些部分重疊，用來改變已定義的背景域的較小子集的屬性。這樣，具有較高優(yōu)先級的域可以改變背景域?qū)傩缘淖蛹１尘坝蚩梢杂脕肀Ｗo(hù)一些睡眠狀態(tài)的存儲空間，使其不受非法訪問，而此時(shí)由另一個(gè)不同域控制下的背景域的其他部分可以處于活躍狀態(tài)。

　　15.4.5 與MPU相關(guān)的CP15寄存器

　　與MPU相關(guān)的協(xié)處理器寄存器主要是c2，c3，c5及c6。另外還有寄存器c1中的1到2位。

　　（1）c1中的MPU相關(guān)位

　　c1的編碼格式如圖15.18所示。

　　圖15.18 協(xié)處理器寄存器c1編碼格式

　　M（bit［0］）控制控制MPU的使能。

　　· M=0：禁止MPU

　　· M=1：使能MPU

　　A（bit［1］）選擇是否支持內(nèi)存訪問地址對齊檢查。

　　· B=0：禁止地址對齊檢查

　　· B=1：使能地址對齊檢查

　　（2）c2中的MPU相關(guān)位

　　c2的編碼格式如圖15.19所示。

　　圖15.19 協(xié)處理器寄存器c2編碼格式

　　寄存器位0～7分別對應(yīng)域0～7的Cache屬性。位8～31應(yīng)該設(shè)置成0。

　　注意在數(shù)據(jù)和指令分離的系統(tǒng)中，通過MRC和MCR指令的第二個(gè)操作數(shù)《opcode2》來決定讀寫D－Cache和I－Cache屬性。

　　（3）c3中的MPU相關(guān)位

　　c3的編碼格式如圖15.20所示。

　　圖15.20 協(xié)處理器寄存器c3編碼格式

　　寄存器位0～7分別對應(yīng)域0～7的寫緩存屬性。位8～31應(yīng)該設(shè)置成0。

　　當(dāng)用指令MCR/MRC對c3進(jìn)行讀寫時(shí)，第二個(gè)操作數(shù)《opcode2》將被忽略，在指令要設(shè)置成0。

　　當(dāng)配置數(shù)據(jù)域時(shí)，域的Cache位和寫緩存區(qū)位一起決定域的訪問策略。寫緩存位有兩個(gè)用途：使能/禁止域的寫緩存和設(shè)置域的Cache寫策略。域的Cache位控制寫緩存位的作用。具體位分配見表15.16。

　　表15.16 Cache位和寫緩存位的分配策略

　　Cache位寫緩存區(qū)位域 屬 性

　　C=0B=0禁止Cache、禁止寫緩存

　　C=0B=1禁止Cache、使能寫緩存

　　C=1B=0使能Cache，域使用回寫策略

　　C=10B=1使能Cache，域使用直寫策略

　　（4）訪問權(quán)限寄存器c5

　　協(xié)處理器CP15的寄存器c5設(shè)置內(nèi)存域的訪問權(quán)限。

　　寄存器c5的編碼格式如圖15.21所示。

　　圖15.21 寄存器c5的編碼格式

　　讀寄存器c3的bits［15:0］存放域的AP（access permission，訪問權(quán)限），其中bits［2n+1：2n］對于域n的訪問權(quán)限。AP編碼與訪問權(quán)限的對應(yīng)關(guān)系如表15.17所示。

　　表15.17 AP編碼與訪問權(quán)限的對應(yīng)關(guān)系

　　AP編碼管 理 者用 戶

　　00不可訪問不可訪問

　　01讀/寫不可訪問

　　10讀/寫只讀

　　11讀/寫讀/寫

　　對于Arm940T、Arm940T兩個(gè)內(nèi)核版本來說，使用MRC和MCR指令對其進(jìn)行讀寫時(shí)，第二個(gè)協(xié)處理器寄存器《CRm》將被忽略，指令中以c0的形式出現(xiàn)。對于指令數(shù)據(jù)統(tǒng)一的域，第二操作數(shù)《opcode2》要設(shè)成0，而對于數(shù)據(jù)和指令分離的系統(tǒng)，如果opcode2=0，說明操作對數(shù)據(jù)域有效，如果opcode=1，說明操作對指令域有效。

　　注意對于Arm946E－S和Arm1026EJ－S兩個(gè)內(nèi)核版本，它們的訪問權(quán)限機(jī)制更復(fù)雜，采用的是擴(kuò)展AP，擴(kuò)展組AP位域編碼支持兩個(gè)增強(qiáng)的權(quán)限域，對其進(jìn)行操作的MRC和MCR指令形式更復(fù)雜，有關(guān)更詳細(xì)的內(nèi)容，請參加Arm公司的用戶手冊。

　　（5）域大小控制寄存器c6

　　Arm系統(tǒng)中通過寫協(xié)處理器c6來定義域的大小，通過MCR指令中第二個(gè)操作寄存器賦不同的值來指示是對哪個(gè)具體域進(jìn)行操作。第二個(gè)操作寄存器取值為c0～c7，分別對應(yīng)域0～域7。

　　每個(gè)域的起始地址必須對齊到其大小的整數(shù)倍。比如，一個(gè)域的大小位64KB，其起始地址可以是0x10000的整數(shù)倍的任何數(shù)。域的大小可以是4KB～4GB的2的任意乘冪。

　　寄存器c6的編碼格式如圖15.22所示。

　　圖15.22 域大小控制寄存器c6編碼格式

　　編碼含義如表15.18所示

　　表15.18 寄存器c6編碼含義

　　位 名 稱對 應(yīng) 位注 釋

　　起始地址［31:12］保護(hù)域的第一個(gè)字節(jié)起始地址，具體見表2.18

　　SBZ［11:6］必須設(shè)為0

　　Size［5:1］設(shè)Size=N，則域尺寸為2N+1，其中11≤N≤31

　　E［0］域使能，E=1使能，E=0禁止

　　關(guān)于c6中bits［31:12］，因?yàn)橛虻钠鹗家怯虼笮〉恼稊?shù)，域最小為4KB，所有域起始地址的bits［11:0］通常為0，不用設(shè)置。具體c6中起始地址的設(shè)置和c6中Size（bits［5:1］）的對應(yīng)關(guān)系如表15.19所示。

　　表15.19 域尺寸編碼

　　Size（bits［5:1］）域 尺 寸起始地址（bits［31:12］）

　　0b00000～0b01010未定義－

　　0b010114KB無

　　0b011008KBbit［12］必須為0

　　0b0110116KBbits［13:12］必須為0

　　0b0111032KBbits［14:12］必須為0

　　0b0111164KBbits［15:12］必須為0

　　0b10000126KBbits［16:12］必須為0

　　0b10001256KBbits［17:12］必須為0

　　0b10010512KBbits［18:12］必須為0

　　0b100111MBbits［19:12］必須為0

　　0b101002MBbits［20:12］必須為0

　　0b101014MBbits［21:12］必須為0

　　0b101108MBbits［22:12］必須為0

　　0b1011116MBbits［23:12］必須為0

　　0b1100032MBbits［24:12］必須為0

　　0b1100164MBbits［25:12］必須為0

　　0b11010128MBbits［26:12］必須為0

　　0b11011256MBbits［27:12］必須為0

　　0b11100512MBbits［28:12］必須為0

　　0b111011GBbits［29:12］必須為0

　　續(xù)表

　　Size（bits［5:1］）域 尺 寸起始地址（bits［31:12］）

　　0b111102GBbits［30:12］必須為0

　　0b111114GBbits［31:12］必須為0