MPU：鸿蒙轻内核的任务栈的溢出检察官

Posted 2021-10-18 华为云

摘要：MPU(Memory Protection Unit,内存保护单元)把内存映射为一系列内存区域，定义这些内存区域的维洲，大小，访问权限和内存熟悉信息。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列十六 MPU内存保护单元》，作者： zhushy。

MPU(Memory Protection Unit,内存保护单元)把内存映射为一系列内存区域，定义这些内存区域的维洲，大小，访问权限和内存熟悉信息。MPU支持对每个内存区域进行独立的属性设置，允许内存区域重，可以导出内存属性。有关MPU的详细信息可以参考官方资料站点，比如对应Cortex-M3的文档位置为：https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit。

在鸿蒙轻内核中，MPU用于任务栈的溢出检测。本文主要分析鸿蒙轻内核MPU模块的源码。本文中所涉及的源码，以OpenHarmony LiteOS-M内核为例，均可以在开源站点kernel_liteos_m: LiteOS kernel for devices with few resources, such as the MCU | 适用于MCU等各种资源极小设备的LiteOS内核 获取。鸿蒙轻内核支持的ARM Cortex-M芯片架构都支持MPU的，代码都是一样的，以kernel\\arch\\arm\\cortex-m4\\gcc\\los_mpu.c为例进行讲解。

1、MPU枚举、结构体定义和常用宏定义

1.1 MPU枚举、结构体定义

在文件kernel\\arch\\include\\los_mpu.h定义MPU相关的结构体。⑴处定义MPU内存区域的访问权限，有关访问权限可以访问官网https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-access-permission-attributes，特别是上述页面的表格Table 4.47. AP encoding了解更多。⑵处定义MPU的是否可执行属性枚举，⑶处定义MPU内存区域是否可以共享属性枚举，⑷定义内存区域的类型属性枚举，⑸处的结构体用于定义MPU内存区域。

⑴ typedef enum {
        MPU_RW_BY_PRIVILEGED_ONLY = 0,
        MPU_RW_ANY = 1,
        MPU_RO_BY_PRIVILEGED_ONLY = 2,
        MPU_RO_ANY = 3,
    } MpuAccessPermission;

⑵  typedef enum {
        MPU_EXECUTABLE = 0,
        MPU_NON_EXECUTABLE = 1,
    } MpuExecutable;

⑶  typedef enum {
        MPU_NO_SHARE = 0,
        MPU_SHARE = 1,
    } MpuShareability;

⑷  typedef enum {
        MPU_MEM_ON_CHIP_ROM = 0,
        MPU_MEM_ON_CHIP_RAM = 1,
        MPU_MEM_XIP_PSRAM = 2,
        MPU_MEM_XIP_NOR_FLASH = 3,
        MPU_MEM_SHARE_MEM = 4,
    } MpuMemType;

⑸  typedef struct {
        UINT32 baseAddr;
        UINT64 size; /* armv7 size == 2^x (5 <= x <= 32)  128B - 4GB */
        MpuAccessPermission permission;
        MpuExecutable executable;
        MpuShareability shareability;
        MpuMemType memType;
    } MPU_CFG_PARA;

1.2 MPU宏

MPU外设的一些宏定义有HAL Drivers定义，比如对于Cortex-M4，位置为Drivers\\CMSIS\\Core\\Include\\core_cm4.h。MPU结构体定义如下，关于MPU寄存器的详细信息可以访问https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit，查看页面上的Table 4.38. MPU registers summary。下文在讲解代码时会涉及MPU的各个寄存器。

#if defined (__MPU_PRESENT) && (__MPU_PRESENT == 1U)
  #define MPU_BASE          (SCS_BASE +  0x0D90UL)                    /*!< Memory Protection Unit */
  #define MPU               ((MPU_Type       *)     MPU_BASE      )   /*!< Memory Protection Unit */
#endif

另外，MPU支持8个内存区域，kernel\\arch\\arm\\cortex-m4\\gcc\\los_mpu.c文件中定义的宏如下：

#define MPU_MAX_REGION_NUM  8

2、MPU常用操作

MPU常用操作函数包含使能MPUHalMpuEnable、失能MPUHalMpuDisable，设置指定的内存区域属性HalMpuSetRegion，失能指定的内存区域HalMpuDisableRegion和获取未使用的内存区域编号HalMpuUnusedRegionGet。

2.1 使能MPUHalMpuEnable

该函数使能MPU功能，⑴处对MPU控制寄存器MPU Control Register进行操作，通过对寄存器相关的bit位进行赋值来使能MPU。有关该寄存器建议详细阅读https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-control-register。⑵处代码使能MemoryFault异常。接着执行的数据同步屏障__DSB()和指令同步屏障__ISB()，详细的可以查阅ARM的DMB,DSB,ISB等指令。

VOID HalMpuEnable(UINT32 defaultRegionEnable)
{
    UINT32 intSave = HalIntLock();
⑴  MPU->CTRL = (MPU_CTRL_ENABLE_Msk | ((defaultRegionEnable << MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Pos) & MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk));
⑵  SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
    __DSB();
    __ISB();
    HalIntRestore(intSave);
}

2.2 失能MPUHalMpuDisable

代码很简单，直接把MPU控制寄存器赋值为0来失能MPU功能。

VOID HalMpuDisable(VOID)
{
    UINT32 intSave = HalIntLock();
    MPU->CTRL = 0;
    __DSB();
    __ISB();
    HalIntRestore(intSave);
}

2.3 失能指定的内存区域HalMpuDisableRegion

HalMpuDisableRegion函数执行后不再对指定的内存区域进行MPU保护，⑴处校验参数合法性。⑵处没有使用的MPU内存区域无法失能。⑶处获取MPU的类型寄存器，详细可以访问https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-type-register。

⑷处表示MPU的数据内存区域（MPU data regions）数量不为空时，执行⑸处代码更新MPU内存区域编号寄存器(MPU Region Number Register
)为指定的内存区域编号，详细的信息可以参考https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-number-register。然后执行⑹处代码更新MPU内存区域属性和大小寄存器(MPU Region Attribute and Size Register
)，详细可以参考https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-attribute-and-size-register。⑺处把全局变量数组中指定的区域编号设置为未使用0。

UINT32 HalMpuDisableRegion(UINT32 regionId)
{
    volatile UINT32 type;
    UINT32 intSave;

⑴  if (regionId >= MPU_MAX_REGION_NUM) {
        return LOS_NOK;
    }

    intSave = HalIntLock();
⑵  if (!g_regionNumBeUsed[regionId]) {
        HalIntRestore(intSave);
        return LOS_NOK;
    }

⑶  type = MPU->TYPE;
⑷  if ((MPU_TYPE_DREGION_Msk & type) != 0) {
⑸      MPU->RNR = regionId;
⑹      MPU->RASR = 0;
        __DSB();
        __ISB();
    }
⑺  g_regionNumBeUsed[regionId] = 0; /* clear mpu region used flag */
    HalIntRestore(intSave);
    return LOS_OK;
}

2.4 设置指定的内存区域属性HalMpuSetRegion

HalMpuSetRegion函数设置指定的内存区域的属性。⑴处对参数进行合法性校验。⑵处如果MPU类型寄存器中表示的数据内存区域的数量为0，无法继续设置内嵌区域，直接返回LOS_NOK。⑶处调用函数HalMpuEncodeSize根据内存区域的实际大小值获取编码大小，该值后续会被赋值给MPU属性和大小寄存器的size位。⑷判断内存区域需要相对内存区域大小进行内存对齐，否则返回LOS_NOK。

⑸处计算基地址寄存器的数据，有关基地址寄存器（MPU Region Base Address Register），可以访问https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-base-address-register了解更多。⑹处计算属性和大小寄存器的数值。⑺处如果指定的内存区域被使用，直接返回LOS_NOK。⑻处设置MPU相关的寄存器，并标记该内存区域已使用。代码如下：

UINT32 HalMpuSetRegion(UINT32 regionId, MPU_CFG_PARA *para)
{
    UINT32 RASR;
    UINT32 RBAR;
    UINT32 RNR;
    UINT32 encodeSize;
    UINT32 intSave;
    UINT64 size;

⑴  if ((regionId >= MPU_MAX_REGION_NUM) || (para == NULL)) {
        return LOS_NOK;
    }

⑵  if ((MPU_TYPE_DREGION_Msk & MPU->TYPE) == 0) {
        return LOS_NOK;
    }

    RNR = regionId;
⑶  encodeSize = HalMpuEncodeSize(para->size);
    if (encodeSize == 0) {
        return LOS_NOK;
    }
⑷  size = para->size - 1;              /* size aligned after encode check */
    if ((para->baseAddr & size) != 0) { /* base addr should aligned to region size */
        return LOS_NOK;
    }
⑸  RBAR = para->baseAddr & MPU_RBAR_ADDR_Msk;
⑹  RASR = HalMpuGetRASR(encodeSize, para);
    intSave = HalIntLock();
⑺  if (g_regionNumBeUsed[regionId]) {
        HalIntRestore(intSave);
        return LOS_NOK;
    }
⑻  MPU->RNR = RNR;
    MPU->RBAR = RBAR;
    MPU->RASR = RASR;
    __DSB();
    __ISB();
    g_regionNumBeUsed[regionId] = 1; /* Set mpu region used flag */
    HalIntRestore(intSave);
    return LOS_OK;
}

2.4.1 HalMpuEncodeSize根据内存区域实际大小获取size属性值

HalMpuEncodeSize函数根据内存区域实际大小获取size属性值，对应的计算公式为：(Region size in bytes) = 2^(SIZE+1)，详细信息可以访问MPU属性和大小寄存器官网资料页面的Table 4.44. Example SIZE field values。32bytes对应4,1KB对应5，…,4GB对应31。

⑴处表示内存区域大小不能大于4GB，然后判断是否相对32字节进行内存对齐。⑵处先右移2位，然后while循环，执行⑶每向右循环一位，size属性大小增加1。

STATIC UINT32 HalMpuEncodeSize(UINT64 size)
{
    UINT32 encodeSize = 0;
⑴  if (size > SIZE_4G_BYTE) {
        return 0;
    }
    if ((size & 0x1F) != 0) { /* size should aligned to 32 byte at least. */
        return 0;
    }
⑵  size = (size >> 2);
    while (size != 0) {
        if (((size & 1) != 0) && ((size & 0xFFFFFFFE) != 0)) { /* size != 2^x (5 <= x <= 32)  128B - 4GB */
            return 0;
        }
⑶      size = (size >> 1);
        encodeSize++;
    }
    return encodeSize;
}

2.4.2 HalMpuGetRASR根据size属性值和配置参数计算属性和大小寄存器的值

HalMpuGetRASR根据size属性值和配置参数计算属性和大小寄存器的值。⑴处根据配置的访问权限计算AP（ACCESS permission），然后计算属性和大小寄存器的值，最后执行⑶给寄存器赋值。

STATIC UINT32 HalMpuEncodeAP(MpuAccessPermission permission)
{
    UINT32 ap;
    switch (permission) {
        case MPU_RW_BY_PRIVILEGED_ONLY:
            ap = MPU_AP_RW_USER_FORBID;
            break;
        case MPU_RW_ANY:
            ap = MPU_AP_RW_USER_RW;
            break;
        case MPU_RO_BY_PRIVILEGED_ONLY:
            ap = MPU_AP_RO_USER_FORBID;
            break;
        case MPU_RO_ANY:
            ap = MPU_AP_RO_USER_RO;
            break;
        default:
            ap = MPU_AP_RW_USER_RW;
            break;
    }
    return ap;
}
STATIC VOID HalMpuRASRAddMemAttr(MPU_CFG_PARA *para, UINT32 *RASR)
{
    BOOL cachable = 0;
    BOOL buffable = 0;
    switch (para->memType) {
        case MPU_MEM_ON_CHIP_ROM:
        case MPU_MEM_ON_CHIP_RAM:
            cachable = 1;
            buffable = 0;
            break;
        case MPU_MEM_XIP_PSRAM:
            cachable = 1;
            buffable = 1;
            break;
        case MPU_MEM_XIP_NOR_FLASH:
            cachable = 0;
            buffable = 1;
            break;
        default:
            break;
    }
    (*RASR) |= ((cachable << MPU_RASR_C_Pos) | (buffable << MPU_RASR_B_Pos));
}

STATIC UINT32 HalMpuGetRASR(UINT32 encodeSize, MPU_CFG_PARA *para)
{
    UINT32 RASR;
    UINT32 ap;
⑴  ap = HalMpuEncodeAP(para->permission);
    RASR = MPU_RASR_ENABLE_Msk;
    RASR |= ((encodeSize << MPU_RASR_SIZE_Pos) & MPU_RASR_SIZE_Msk);
    RASR |= ((ap << MPU_RASR_AP_Pos) & MPU_RASR_AP_Msk) | ((para->executable << MPU_RASR_XN_Pos) & MPU_RASR_XN_Msk) |
        ((para->shareability << MPU_RASR_S_Pos) & MPU_RASR_S_Msk);
⑶  HalMpuRASRAddMemAttr(para, &RASR);
    return RASR;
}

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