Cortex-M3-MPU(存儲器保護單元)

MPU使命-關鍵系統(tǒng)

　　這種系統(tǒng)往往都用于性命攸關的場合，且必須連續(xù)無故障地工作，比如，火車調(diào)度系統(tǒng)、生命維持系統(tǒng)、大型發(fā)動機驅(qū)動器、核子反應堆控制、網(wǎng)絡/電信的數(shù)據(jù)交換中樞等。如果失能，將導致慘重的經(jīng)濟與損失，甚至會使無數(shù)人死于非命。因此，決不允許這類系統(tǒng)出現(xiàn)

　　上述情況。然而，這些系統(tǒng)的復雜度往往都非常高，幾乎不可能由開發(fā)人員保證這種可靠性。因此，需要在硬件水平上加入一個“公安機關”。通過它設置各種類型的“禁地”，并且施加多種規(guī)章條例。一旦發(fā)現(xiàn)違章，則強制改變執(zhí)行流和處理器的工作狀態(tài)，以便可以由軟件做進一步的處理。這樣，就可以為不同的程序限定一個內(nèi)存使用范圍，從而使野指針或惡意破壞無法影響不允許訪問的區(qū)域。此即存儲器保護單元（MPU）。有時，對存儲器的管理更進一步，做到可以對地址執(zhí)行變換的程度，此時程序使用的地址未必是真實的存儲器地址。它在MPU的基礎上，還消滅了內(nèi)存碎片和浪費，并且能進一步地讓應用程序擁有方便舒適的地址空間，從而使程序規(guī)?？梢詳U大甚至數(shù)百倍。此即為“存儲器管理單元”（MMU）。

MPU概覽

　　在Cortex‐M3處理器中可以選配一個存儲器保護單元（MPU），它可以實施對存儲器（主要是內(nèi)存和外設寄存器）的保護，以使軟件更加健壯和可靠。在使用前，必須根據(jù)需要對其編程。如果沒有啟用MPU，則等同于系統(tǒng)中沒有配MPU。MPU有如下的能力可以提高系統(tǒng)的可靠性：

　　阻止用戶應用程序破壞操作系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)

　　阻止一個任務訪問其它任務的數(shù)據(jù)區(qū)，從而把任務隔開。

　　可以把關鍵數(shù)據(jù)區(qū)設置為只讀，從根本上消除了被破壞的可能。

　　檢測意外的存儲訪問，如，堆棧溢出，數(shù)組越界。此外，還可以通過MPU設置存儲器regions的其它訪問屬性，比如，是否緩區(qū)，是否緩沖等。

　　MPU在執(zhí)行其功能時，是以所謂的“region”為單位的。一個region其實就是一段連續(xù)的地址，只是它們的位置和范圍都要滿足一些限制（對齊方式，最小容量等）。CM3的MPU共支持8個regions。怎么，嫌少？是少了點，不過，還允許把每個region進一步劃分成更小的“子region”。此外，還允許啟用一個“背景region”（即沒有MPU時的全部地址空間），不過它是只能由特權級享用。在啟用MPU后，就不得再訪問定義之外的地址區(qū)間，也不得訪問未經(jīng)授權的region。否則，將以“訪問違例”處理，觸發(fā)MemManage fault。

　　MPU定義的regions可以相互交迭。如果某塊內(nèi)存落在多個region中，則訪問屬性和權限將由編號最大的region來決定。比如，若1號region與4號region交迭，則交迭的部分受4號region控制。

MPU的典型設置

　　在典型的情況下，當需要阻止用戶程序訪問特權級的數(shù)據(jù)和代碼時，可以啟用MPU。在設計MPU regions時，需要考慮到下列的regions：如下圖：

MPU的自定義設置后的權限