关于harmonyos:MPU鸿蒙轻内核的任务栈的溢出检察官

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，拜访权限和内存相熟信息。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核 M 核源码剖析系列十六 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，拜访权限和内存相熟信息。MPU 反对对每个内存区域进行独立的属性设置，容许内存区域重，能够导出内存属性。无关 MPU 的详细信息能够参考官网材料站点，比方对应 Cortex-M3 的文档地位为：https://developer.arm.com/doc…。

在鸿蒙轻内核中，MPU 用于工作栈的溢出检测。本文次要剖析鸿蒙轻内核 MPU 模块的源码。本文中所波及的源码，以 OpenHarmony LiteOS- M 内核为例，均能够在开源站点 https://gitee.com/openharmony… 获取。鸿蒙轻内核反对的 ARM Cortex- M 芯片架构都反对 MPU 的，代码都是一样的，以 kernel\arch\arm\cortex-m4\gcc\los_mpu.c 为例进行解说。

1、MPU 枚举、构造体定义和罕用宏定义

1.1 MPU 枚举、构造体定义

在文件 kernel\arch\include\los_mpu.h 定义 MPU 相干的构造体。⑴处定义 MPU 内存区域的拜访权限，无关拜访权限能够拜访官网 https://developer.arm.com/doc…，特地是上述页面的表格 Table 4.47. AP encoding 理解更多。⑵处定义 MPU 的是否可执行属性枚举，⑶处定义 MPU 内存区域是否能够共享属性枚举，⑷定义内存区域的类型属性枚举，⑸处的构造体用于定义 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，比方对于 Cortex-M4，地位为 Drivers\CMSIS\Core\Include\core_cm4.h。MPU 构造体定义如下，对于 MPU 寄存器的详细信息能够拜访 https://developer.arm.com/doc…，查看页面上的 Table 4.38. MPU registers summary。下文在解说代码时会波及 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 反对 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 罕用操作

MPU 罕用操作函数蕴含使能 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 和获取未应用的内存区域编号 HalMpuUnusedRegionGet。

2.1 使能 MPUHalMpuEnable

该函数使能 MPU 性能，⑴处对 MPU 管制寄存器 MPU Control Register 进行操作，通过对寄存器相干的 bit 位进行赋值来使能 MPU。无关该寄存器倡议具体浏览 https://developer.arm.com/doc…。⑵处代码使能 MemoryFault 异样。接着执行的数据同步屏障__DSB()和指令同步屏障__ISB()，具体的能够查阅 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
代码很简略，间接把 MPU 管制寄存器赋值为 0 来失能 MPU 性能。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 爱护，⑴处校验参数合法性。⑵处没有应用的 MPU 内存区域无奈失能。⑶处获取 MPU 的类型寄存器，具体能够拜访 https://developer.arm.com/doc…。

⑷处示意 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，具体的信息能够参考 https://developer.arm.com/doc…。而后执行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
)，具体能够参考 https://developer.arm.com/doc…。⑺处把全局变量数组中指定的区域编号设置为未应用 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 类型寄存器中示意的数据内存区域的数量为 0，无奈持续设置内嵌区域，间接返回 LOS_NOK。⑶处调用函数 HalMpuEncodeSize 依据内存区域的理论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判断内存区域须要绝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，无关基地址寄存器（MPU Region Base Address Register），能够拜访 https://developer.arm.com/doc… 理解更多。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应用，间接返回 LOS_NOK。⑻处设置 MPU 相干的寄存器，并标记该内存区域已应用。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 依据内存区域理论大小获取 size 属性值

HalMpuEncodeSize 函数依据内存区域理论大小获取 size 属性值，对应的计算公式为：(Region size in bytes) = 2^(SIZE+1)，详细信息能够拜访 MPU 属性和大小寄存器官网材料页面的 Table 4.44. Example SIZE field values。32bytes 对应 4,1KB 对应 5，…,4GB 对应 31。

⑴处示意内存区域大小不能大于 4GB，而后判断是否绝对 32 字节进行内存对齐。⑵处先右移 2 位，而后 while 循环，执行⑶每向右循环一位，size 属性大小减少 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 依据 size 属性值和配置参数计算属性和大小寄存器的值

HalMpuGetRASR 依据 size 属性值和配置参数计算属性和大小寄存器的值。⑴处依据配置的拜访权限计算 AP（ACCESS permission），而后计算属性和大小寄存器的值，最初执行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;
}

点击关注，第一工夫理解华为云陈腐技术~