ARM存儲器之：存儲保護單元MPU

15.4存儲保護單元MPU

一些嵌入式系統(tǒng)使用多任務(wù)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(wù)不破壞其他任務(wù)的操作。即要防止系統(tǒng)資源和其他一些任務(wù)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(wù)的系統(tǒng)中，通常要運行操作系統(tǒng)來達到任務(wù)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(wù)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(wù)正在使用串口，則它沒有辦法來防止其他任務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)使用其他任務(wù)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（MemoryProtectionUnit）；

·MMU（MemoryManagementUnit）。

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（ProtectionRegions）

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(yù)取指或數(shù)據(jù)中止，然后根據(jù)異常類型，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)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。