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~