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入門:為什么要使用MPU?MPU如何實現(xiàn)內(nèi)存保護,?

2023-02-26
來源:嵌入式專欄
關鍵詞: MPU 微處理器 RAM Flash

  先說明一下MPU,,MPU有很多含義,,我們常見的有:

  MPU:Memory Protection Unit,,內(nèi)存保護單元(本文描述的內(nèi)容);

  MPU:Microprocessor Unit,,微處理器,;

  還有,可能有人會與MPU-6050這類模塊聯(lián)系在一起,。所以,,大家不要把MPU搞混了。

  嵌入式專欄

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  為什么要使用MPU,?

  如果你開發(fā)的嵌入式項目,,因內(nèi)存溢出,或者內(nèi)存故障等一些原因,,造成了重大經(jīng)濟損失,,或者造成了重大事故,你就能體會為什么要使用內(nèi)存保護單元(MPU)了,。

  在嵌入式系統(tǒng)中使用內(nèi)存保護單元(MPU)可以在開發(fā)早期及時發(fā)現(xiàn)因內(nèi)存而導致的Bug,,節(jié)省更多開發(fā)時間。

  同時,,在項目后期修改Bug,或者增加功能,,可以減少修改文檔和測試所需的時間,。

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  也就是說,使用MPU,,會避免因為修改一個bug,,而引起多個bug的情況(0生1,1生萬物),。

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  MPU如何實現(xiàn)內(nèi)存保護

  簡單來說就是保護與當前執(zhí)行的代碼不相關的所有數(shù)據(jù),。

  拿RTOS任務A和B來說: 任務A和B不應相互交互數(shù)據(jù),但是存在一個錯誤,,任務A可能會意外地寫入任務B偶爾使用的某些數(shù)據(jù),,不會影響任務A的正確操作。但是,,當任務B嘗試使用損壞的數(shù)據(jù)時,,任務B可能會意外故障。

  如果沒有配置MPU來阻止任務A寫入任務B的數(shù)據(jù),,則該錯誤可能需要很長的時間供開發(fā)人員跟蹤,。如果錯誤很小,或者如果任務B很少使用該數(shù)據(jù),,則將很難解決該bug,。但是,,如果使用了MPU,則該bug就會及早被發(fā)現(xiàn),。

  在某些體系結(jié)構(gòu)上,,MPU甚至可以幫助你檢測NULL指針引用,因為你可以設置MPU區(qū)域以防止非特權(quán)代碼訪問內(nèi)存0x0,。

  應用程序中一組設計良好的MPU區(qū)域可以很好的保護重要的內(nèi)存區(qū)域,,以防止出現(xiàn)特定的問題。

  一個很好的例子是通過在MPU區(qū)域的末尾放置緩沖區(qū)來防止緩沖區(qū)溢出,,你還可以將任務堆棧放置在任何非特權(quán)代碼都無法訪問的區(qū)域,。如果這樣做,則每個任務必須使用自己的MPU區(qū)域之一來設置自己對自己的堆棧的訪問權(quán)限,。

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  使用MPU的好處

  無論是操作系統(tǒng),,還是裸機系統(tǒng),如果沒有防止惡意訪問錯誤內(nèi)存的能力,,系統(tǒng)將有重大安全問題,,以及安全漏洞的雷區(qū)。

  使用的內(nèi)存保護單元(MPU)有很多優(yōu)勢,,MPU通常允許你以特權(quán)或非特權(quán)模式運行,,并使用一組“區(qū)域”來確定當前正在執(zhí)行的代碼是否具有訪問代碼和數(shù)據(jù)的權(quán)限。

  每個區(qū)域都是一個連續(xù)的內(nèi)存塊,,具有該內(nèi)存的一組權(quán)限,,特權(quán)和非特權(quán)訪問。與非特權(quán)代碼的子集相比,,特權(quán)代碼往往可以訪問大部分(但不是全部)內(nèi)存,。

  在整個系統(tǒng)運行時中,這些區(qū)域不必相同,。MPU區(qū)域可以根據(jù)每個任務進行修改,,每個任務可以具有自己獨特的區(qū)域集,這些區(qū)域在任務移至運行狀態(tài)時進行配置,。

  這使你可以僅對需要代碼和數(shù)據(jù)的任務設置訪問權(quán)限,,利用MPU的嵌入式操作系統(tǒng)將在每次上下文切換期間管理每個任務的區(qū)域和特權(quán)級別。

  比如設置RTOS兩個任務不同的內(nèi)存保護區(qū)域:

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  上面這張圖,,大家都能看懂吧,?Flash和內(nèi)存區(qū)域被分別設置保護。

  兩個全局保護區(qū)域:Flash開頭,、RAM開頭,;

  在Flash中,一部分僅限任務1訪問,,這部分不能被任務訪問,;同時,,在Flash另外區(qū)域,僅限任務2訪問,,不能被任務1訪問,。如果這兩部分區(qū)域被對方訪問,則會生成生成MPU故障,。

  在RAM區(qū)域,,同一部分區(qū)域,一個只能被讀,,一個只能被寫入,,如果不按約定操作,同樣也會生產(chǎn)MPU故障,。

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  什么時候不使用MPU,? 通常有兩種情況可以不使用處理器上的MPU功能:

  一個簡單的項目

  一個對性能至關重要的項目

  第1個很簡單:一個非常簡單的應用程序基本上沒必要使用MPU,反而增加了系統(tǒng)的復雜性,。不設置內(nèi)存保護,,RAM和外圍設備的MPU區(qū)域,你自己一眼就能找到bug,。

  第2個對性能要求高的項目,,在上下文切換時,設置內(nèi)存保護,,堆棧那些操作,,有可能影響系統(tǒng)的實時性,從而導致系統(tǒng)異常,。這個需要結(jié)合項目實際情況考慮用,,還是不用MPU功能,。



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