嵌入式RTOS系統中使用內存保護單元(MPU)的好處

      先說明一下MPU,MPU有很多含義,我們常見的有:

      MPU:

      Memory Protection Unit,內存保護單元

      (本文描述的內容)

      ;

      MPU:

      Microprocessor Unit,微處理器;

      還有,可能有人會與MPU-6050這類模塊聯系在一起。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?

      如果你開發的嵌入式項目,因內存溢出,或者內存故障等一些原因,造成了重大經濟損失,或者造成了重大事故,你就能體會為什么要使用

      內存保護單元(MP

      U

      了。

      在嵌入式系統中使用內存保護單元(MPU

      可以在開發早期及時發現因內存而導致的Bug,節省更多開發時間。

      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。

      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如何實現內存保護

      簡單來說就是保護與當前執行的代碼不相關的所有數據。

      拿RTOS任務A和B來說:

      任務A和B不應相互交互數據

      ,但是存在一個錯誤,任務A可能會意外地寫入任務B偶爾使用的某些數據,不會影響任務A的正確操作。但是,當任務B嘗試使用損壞的數據時,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的數據,則該錯誤可能需要很長的時間供開發人員跟蹤。如果錯誤很小,或者如果任務B很少使用該數據,則將很難解決該bug。但是,如果使用了MPU,則該bug就會及早被發現。

      在某些體系結構上,MPU甚至可以幫助你檢測NULL指針引用,因為你可以設置MPU區域以防止非特權代碼訪問內存0x0。

      應用程序中一組設計良好的MPU區域可以很好的保護重要的內存區域,以防止出現特定的問題。

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

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      使用MPU的好處

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

      使用的內存保護單元(MPU)有很多優勢,MPU通常允許你以特權或非特權模式運行,并使用一組“區域”來確定當前正在執行的代碼是否具有訪問代碼和數據的權限。

      每個區域都是一個連續的內存塊,具有該內存的一組權限,特權和非特權訪問。與非特權代碼的子集相比,特權代碼往往可以訪問大部分(但不是全部)內存。

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

      這使你可以僅對需要代碼和數據的任務設置訪問權限,利用MPU的嵌入式操作系統將在每次上下文切換期間管理每個任務的區域和特權級別。

      比如設置RTOS兩個任務不同的內存保護區域:

      上面這張圖,大家都能看懂吧?Flash和內存區域被分別設置保護。

      兩個全局保護區域: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另外區域,僅限任務2訪問,不能被任務1訪問。如果這兩部分區域被對方訪問,則會生成生成MPU故障。

      在RAM區域,同一部分區域,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,反而增加了系統的復雜性。不設置內存保護,RAM和外圍設備的MPU區域,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,設置內存保護,堆棧那些操作,有可能影響系統的實時性,從而導致系統異常。這個需要結合項目實際情況考慮用,還是不用MPU功能。

      ------------

      END

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