15.4 存儲(chǔ)保護(hù)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(jī)制來保證正在運(yùn)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(dá)到這一目的通常有軟件保護(hù)和硬件保護(hù)兩種途徑。這里軟件保護(hù)是指僅靠軟件來保護(hù)系統(tǒng)資源。系統(tǒng)中無保護(hù)硬件或硬件沒啟動(dòng)。在多任務(wù)的系統(tǒng)中，通常要運(yùn)行操作系統(tǒng)來達(dá)到任務(wù)間同步與通信。所以，這種軟件的資源保護(hù)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(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)資源的做法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些不可避免的問題。如當(dāng)對一個(gè)通信用串口寄存器進(jìn)行操作時(shí)，如果一個(gè)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(gè)串口。因此，若要成功使用該串口，則必須通過一個(gè)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(hù)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(hù)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(hù)系統(tǒng)主動(dòng)防止一個(gè)任務(wù)使用其他任務(wù)的資源。因此使用硬件主動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)比協(xié)調(diào)加強(qiáng)的軟件歷程，提供了更好的保護(hù)。
　　ARM中配備的有效保護(hù)系統(tǒng)資源的硬件，有兩種：
　　· MPU（Memory Protection Unit）；
　　· MMU（Memory Management Unit）。
　　MMU是比MPU提供了功能更強(qiáng)大的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，MPU只提供了內(nèi)存區(qū)域保護(hù)，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(fù)責(zé)。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(xì)介紹。
　　15.4.1 保護(hù)域（Protection Regions）
　　ARM處理器中的MPU使用“域（regions）”來對內(nèi)存單元進(jìn)行管理。域是與存儲(chǔ)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(gè)數(shù)為8個(gè)，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(gè)定義為4KB的域其起始地址可以是0x12345000，而一個(gè)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(chǔ)器基于當(dāng)時(shí)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(dāng)處理器訪問主存的一個(gè)域時(shí)，MPU比較該域的訪問權(quán)限屬性和當(dāng)時(shí)的處理器模式。如果請求符合域的訪問標(biāo)準(zhǔn)，則MPU允許內(nèi)核讀/寫主存；如果存儲(chǔ)器請求不符號域的訪問標(biāo)準(zhǔn)，將產(chǎn)生一個(gè)異常信號。
　　異常信號被送到處理器核。處理器核執(zhí)行一個(gè)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(chǔ)空間的某一部分可以被分配給一個(gè)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(shí)重疊域比非重疊域有更大的靈活性。后面一節(jié)將會(huì)詳細(xì)介紹域的重疊。
　　15.4.2 內(nèi)存訪問順序
　　當(dāng)ARM處理器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存訪問信號時(shí)，內(nèi)存保護(hù)單位MPU將負(fù)責(zé)檢查要訪問的地址是否在被定義的域中。
　?、?如果地址不在任何域中，存儲(chǔ)器產(chǎn)生異常。如果內(nèi)核預(yù)取指令則MPU產(chǎn)生預(yù)取中止異常；如果是存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)請求，則產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。
　?、?如果地址在多個(gè)域內(nèi)，由MPU判斷域的有效級來決定存儲(chǔ)區(qū)域的訪問屬性。訪問屬性可以在CP15的寄存器中設(shè)定，可設(shè)定的位為C（Cache）、B（Buffer）、AP（Access Permission）。這些屬性的具體定義為：
　　· C和B可以控制Cache和寫緩存屬性的Cache策略。例如，可以設(shè)置一個(gè)域使用回寫（write－back）策略訪問存儲(chǔ)器，而另一個(gè)域則以無Cache和無寫緩存方式訪問；
　　· AP（access permission）決定域是否可以被訪問。如果在當(dāng)前處理器模式下，該域不能被訪問，MPU將產(chǎn)生一個(gè)存儲(chǔ)器訪問異常。
　　圖15.16顯示了一個(gè)存儲(chǔ)器訪問過程。
　　
　　圖15.16 存儲(chǔ)器訪問過程
　　15.4.3 使能MPU
　　通過對協(xié)處理器CP15的寄存器c1中的bit［0］置1，可以使能存儲(chǔ)器保護(hù)單元MPU。在系統(tǒng)上電時(shí)，默認(rèn)狀態(tài)是該位清零，所有保護(hù)域無效。
　　在使能MPU之前，至少一個(gè)域要被設(shè)定，而且該域的屬性和訪問權(quán)限要預(yù)先設(shè)定好。
　　注意在數(shù)據(jù)和指令域分離的系統(tǒng)中，如ARM940T，在指令和數(shù)據(jù)域中都要有一個(gè)有效域被預(yù)先設(shè)定好。
　　另外，使能MPU的指令要設(shè)在有效的域中。如果在使能MPU之前，域的屬性和訪問權(quán)限沒有設(shè)定，那么系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果將不可預(yù)知。
　　當(dāng)MPU無效（將協(xié)處理器CP15寄存器r1的bit［0］置0）時(shí)，整個(gè)內(nèi)存區(qū)域都被處理器視為無Cache、無寫緩存、無存儲(chǔ)保護(hù)狀態(tài)。
　　15.4.4 重疊域
　　域的定義在MPU的作用下可以重疊。當(dāng)重疊的域被訪問時(shí)，MPU會(huì)判斷域的優(yōu)先權(quán)，決定使用那個(gè)域的屬性來操作重疊域。
　　域?qū)傩詢?yōu)先級的排列順序?yàn)椋河?的有效級最高，其次為域6，域0的優(yōu)先級最低。
　　【例15.3】
　　假設(shè)將一個(gè)從0x3000起始的4KB地址空間定義為域2，其訪問屬性AP定義為0b10（AP=0b10，特權(quán)模式讀/寫訪問，用戶模式只讀）。
　　將起始地址為0x0的16KB地址空間定義為域1，其訪問屬性AP定義為0b01（AP=0b01，特權(quán)模式只讀）。
　　系統(tǒng)域劃分如圖15.17所示。
　　
　　圖15.17 重疊域的訪問
　　當(dāng)處理器在用戶模式下執(zhí)行Load指令，從0x3010地址取數(shù)據(jù)時(shí)，0x3010地址既在域1中也在域2中，因?yàn)橛?的屬性優(yōu)先級高于域1，所有MPU執(zhí)行域2的訪問屬性從0x3010地址取數(shù)據(jù)。域2是用戶模式可讀，所以不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)異常。
　　在分配訪問權(quán)限時(shí)重疊區(qū)域比非重疊區(qū)域有更大的靈活性，它可以使內(nèi)存的某個(gè)特定聯(lián)系內(nèi)存單位在程序中擔(dān)任背景的作用，用來給一塊大存儲(chǔ)空間分配相同的屬性的低優(yōu)先級域。其他具有較高優(yōu)先級域的區(qū)域與該背景域某些部分重疊，用來改變已定義的背景域的較小子集的屬性。這樣，具有較高優(yōu)先級的域可以改變背景域?qū)傩缘淖蛹?。背景域可以用來保護(hù)一些睡眠狀態(tài)的存儲(chǔ)空間，使其不受非法訪問，而此時(shí)由另一個(gè)不同域控制下的背景域的其他部分可以處于活躍狀態(tài)。