存儲保護單元MPU分析

15.4 存儲保護單元MPU
　　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。要達到這一目的通常有軟件保護和硬件保護兩種途徑。這里軟件保護是指僅靠軟件來保護系統(tǒng)資源。系統(tǒng)中無保護硬件或硬件沒啟動。在多任務的系統(tǒng)中，通常要運行操作系統(tǒng)來達到任務間同步與通信。所以，這種軟件的資源保護通常由操作系統(tǒng)來完成。但這種通過軟件來協(xié)調(diào)任務運行，保護系統(tǒng)資源的做法有時會出現(xiàn)一些不可避免的問題。如當對一個通信用串口寄存器進行操作時，如果一個任務正在使用串口，則它沒有辦法來防止其他任務使用同一個串口。因此，若要成功使用該串口，則必須通過一個訪問該串口的系統(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。
　　ARM中配備的有效保護系統(tǒng)資源的硬件，有兩種：
　　· MPU（Memory Protection Unit）；
　　· MMU（Memory Management Unit）。
　　MMU是比MPU提供了功能更強大的內(nèi)存保護機制，MPU只提供了內(nèi)存區(qū)域保護，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負責。本節(jié)主要討論帶MPU的處理器內(nèi)核，MMU將在下一節(jié)詳細介紹。
　　15.4.1 保護域（Protection Regions）
　　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)。
　　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。存儲器基于當時的處理器模式（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。
　　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。
　　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(shè)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。后面一節(jié)將會詳細介紹域的重疊。
　　15.4.2 內(nèi)存訪問順序
　　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(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。
　　圖15.16顯示了一個存儲器訪問過程。
　　
　　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單元MPU。在系統(tǒng)上電時，默認狀態(tài)是該位清零，所有保護域無效。
　　在使能MPU之前，至少一個域要被設(shè)定，而且該域的屬性和訪問權(quán)限要預先設(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)域中都要有一個有效域被預先設(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)的運行結(jié)果將不可預知。
　　當MPU無效（將協(xié)處理器CP15寄存器r1的bit［0］置0）時，整個內(nèi)存區(qū)域都被處理器視為無Cache、無寫緩存、無存儲保護狀態(tài)。
　　15.4.4 重疊域
　　域的定義在MPU的作用下可以重疊。當重疊的域被訪問時，MPU會判斷域的優(yōu)先權(quán)，決定使用那個域的屬性來操作重疊域。
　　域?qū)傩詢?yōu)先級的排列順序為：域7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，0x3010地址既在域1中也在域2中，因為域2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)存的某個特定聯(lián)系內(nèi)存單位在程序中擔任背景的作用，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?。背景域可以用來保護一些睡眠狀態(tài)的存儲空間，使其不受非法訪問，而此時由另一個不同域控制下的背景域的其他部分可以處于活躍狀態(tài)。