mpu內(nèi)存保護單元功能及工作原理

　　一些嵌入式系統(tǒng)使用多任務的操作和控制。這些系統(tǒng)必須提供一種機制來保證正在運行的任務不破壞其他任務的操作。即要防止系統(tǒng)資源和其他一些任務不受非法訪問。嵌入式系統(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)，任務需要遵守一組由操作環(huán)境定義的、由硬件維護的規(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。受保護系統(tǒng)主動防止一個任務使用其他任務的資源。因此使用硬件主動監(jiān)視系統(tǒng)比協(xié)調(diào)加強的軟件歷程，提供了更好的保護。

　　內(nèi)存保護單元（MPU）是ARM中配備的有效保護系統(tǒng)資源硬件的一種，提供了內(nèi)存區(qū)域保護功能。

　　MPU功能

　?。?）保護內(nèi)存區(qū)域。

　　ARM處理器中的MPU使用“域（regions）”來對內(nèi)存單元進行管理。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。通常域的個數(shù)為8個，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，一個定義為4KB的域其起始地址可以是0x12345000，而一個大小定義為8KB的域起始地址只能是0x2000的倍數(shù)。

　?。?）將保護區(qū)域重疊。

　　對于ARM處理器，存儲空間的某一部分可以被分配給一個以上的區(qū)域。也就是說域可以重疊。在重疊的域內(nèi)，可以設置域的優(yōu)先級。在分配訪問權(quán)限時重疊域比非重疊域有更大的靈活性。

　　（3）控制訪問權(quán)限。

　　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。存儲器基于當時的處理器模式（管理模式或用戶模式）可以設定這些區(qū)域的訪問權(quán)限為讀/寫、只讀和不可訪問。

　　當處理器訪問主存的一個域時，MPU比較該域的訪問權(quán)限屬性和當時的處理器模式。如果請求符合域的訪問標準，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準，將產(chǎn)生一個異常信號。

　?。?）將存儲器屬性輸出到系統(tǒng)。

　　異常信號被送到處理器核。處理器核執(zhí)行一個異常向量，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取指或數(shù)據(jù)中止，然后根據(jù)異常類型，跳轉(zhuǎn)到相應的服務例程。

　　MPU工作原理

　　當ARM處理器產(chǎn)生一個內(nèi)存訪問信號時，內(nèi)存保護單位MPU將負責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)核預取指令則MPU產(chǎn)生預取中止異常；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的寄存器中設定，可設定的位為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，可以設置一個域使用回寫（write－back）策略訪問存儲器，而另一個域則以無Cache和無寫緩存方式訪問；

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