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為什么要使用MPU?MPU如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)?

strongerHuang ? 來源:strongerHuang ? 作者:strongerHuang ? 2022-07-05 17:38 ? 次閱讀
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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(hù)單元(本文描述的內(nèi)容);

MPU:Microprocessor Unit,微處理器;

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

為什么要使用MPU?

如果你開發(fā)的嵌入式項(xiàng)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(jì)損失,或者造成了重大事故,你就能體會(huì)為什么要使用內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)了。

嵌入式系統(tǒng)中使用內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)可以在開發(fā)早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)因內(nèi)存而導(dǎo)致的Bug,節(jié)省更多開發(fā)時(shí)間。 同時(shí),在項(xiàng)目后期修改Bug,或者增加功能,可以減少修改文檔和測(cè)試所需的時(shí)間。 poYBAGLEBzGABAnVAACn1eYQigc216.jpg

也就是說,使用MPU,會(huì)避免因?yàn)樾薷囊粋€(gè)bug,而引起多個(gè)bug的情況(0生1,1生萬物)。

MPU如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)

簡單來說就是保護(hù)與當(dāng)前執(zhí)行的代碼不相關(guān)的所有數(shù)據(jù)。

RTOS任務(wù)A和B來說: 任務(wù)A和B不應(yīng)相互交互數(shù)據(jù),但是存在一個(gè)錯(cuò)誤,任務(wù)A可能會(huì)意外地寫入任務(wù)B偶爾使用的某些數(shù)據(jù),不會(huì)影響任務(wù)A的正確操作。但是,當(dāng)任務(wù)B嘗試使用損壞的數(shù)據(jù)時(shí),任務(wù)B可能會(huì)意外故障。 如果沒有配置MPU來阻止任務(wù)A寫入任務(wù)B的數(shù)據(jù),則該錯(cuò)誤可能需要很長的時(shí)間供開發(fā)人員跟蹤。如果錯(cuò)誤很小,或者如果任務(wù)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(huì)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(cè)NULL指針引用,因?yàn)槟憧梢栽O(shè)置MPU區(qū)域以防止非特權(quán)代碼訪問內(nèi)存0x0。 應(yīng)用程序中一組設(shè)計(jì)良好的MPU區(qū)域可以很好的保護(hù)重要的內(nèi)存區(qū)域,以防止出現(xiàn)特定的問題。 一個(gè)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(wù)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(gè)任務(wù)必須使用自己的MPU區(qū)域之一來設(shè)置自己對(duì)自己的堆棧的訪問權(quán)限。

使用MPU的好處

無論是操作系統(tǒng),還是裸機(jī)系統(tǒng),如果沒有防止惡意訪問錯(cuò)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(hù)單元(MPU)有很多優(yōu)勢(shì),MPU通常允許你以特權(quán)或非特權(quán)模式運(yùn)行,并使用一組“區(qū)域”來確定當(dāng)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(gè)區(qū)域都是一個(gè)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)中,這些區(qū)域不必相同。MPU區(qū)域可以根據(jù)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行修改,每個(gè)任務(wù)可以具有自己獨(dú)特的區(qū)域集,這些區(qū)域在任務(wù)移至運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行配置。 這使你可以僅對(duì)需要代碼和數(shù)據(jù)的任務(wù)設(shè)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(gè)任務(wù)的區(qū)域和特權(quán)級(jí)別。 比如設(shè)置RTOS兩個(gè)任務(wù)不同的內(nèi)存保護(hù)區(qū)域:

pYYBAGLEBxWACXZ-AAEJCMxikdA848.jpg

上面這張圖,大家都能看懂吧?Flash和內(nèi)存區(qū)域被分別設(shè)置保護(hù)。 兩個(gè)全局保護(hù)區(qū)域:Flash開頭、RAM開頭; 在Flash中,一部分僅限任務(wù)1訪問,這部分不能被任務(wù)訪問;同時(shí),在Flash另外區(qū)域,僅限任務(wù)2訪問,不能被任務(wù)1訪問。如果這兩部分區(qū)域被對(duì)方訪問,則會(huì)生成生成MPU故障。 在RAM區(qū)域,同一部分區(qū)域,一個(gè)只能被讀,一個(gè)只能被寫入,如果不按約定操作,同樣也會(huì)生產(chǎn)MPU故障。

什么時(shí)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(gè)簡單的項(xiàng)目

一個(gè)對(duì)性能至關(guān)重要的項(xiàng)目

第1個(gè)很簡單:一個(gè)非常簡單的應(yīng)用程序基本上沒必要使用MPU,反而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。不設(shè)置內(nèi)存保護(hù),RAM和外圍設(shè)備的MPU區(qū)域,你自己一眼就能找到bug。 第2個(gè)對(duì)性能要求高的項(xiàng)目,在上下文切換時(shí),設(shè)置內(nèi)存保護(hù),堆棧那些操作,有可能影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,從而導(dǎo)致系統(tǒng)異常。這個(gè)需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況考慮用,還是不用MPU功能。

審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:為什么RTOS系統(tǒng)要使用MPU?

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