摘要：MPU(Memory Protection Unit,內存保護單元)把內存映射爲一系列內存區域，定義這些內存區域的維洲，大小，訪問權限和內存熟悉信息。
本文分享自華爲雲社區《鴻蒙輕內核M核源碼分析系列十六 MPU內存保護單元》，作者： zhushy。
MPU(Memory Protection Unit,內存保護單元)把內存映射爲一系列內存區域，定義這些內存區域的維洲，大小，訪問權限和內存熟悉信息。MPU支持對每個內存區域進行獨立的屬性設置，允許內存區域重，可以導出內存屬性。有關MPU的詳細信息可以參考官方資料站點，比如對應Cortex-M3的文檔位置爲：https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit。
在鴻蒙輕內核中，MPU用於任務棧的溢出檢測。本文主要分析鴻蒙輕內核MPU模塊的源碼。本文中所涉及的源碼，以OpenHarmony LiteOS-M內核爲例，均可以在開源站點https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 獲取。鴻蒙輕內核支持的ARM Cortex-M芯片架構都支持MPU的，代碼都是一樣的，以kernel\arch\arm\cortex-m4\gcc\los_mpu.c爲例進行講解。
1、MPU枚舉、結構體定義和常用宏定義
1.1 MPU枚舉、結構體定義
在文件kernel\arch\include\los_mpu.h定義MPU相關的結構體。⑴處定義MPU內存區域的訪問權限，有關訪問權限可以訪問官網https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-access-permission-attributes，特別是上述頁面的表格Table 4.47. AP encoding瞭解更多。⑵處定義MPU的是否可執行屬性枚舉，⑶處定義MPU內存區域是否可以共享屬性枚舉，⑷定義內存區域的類型屬性枚舉，⑸處的結構體用於定義MPU內存區域。
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外設的一些宏定義有HAL Drivers定義，比如對於Cortex-M4，位置爲Drivers\CMSIS\Core\Include\core_cm4.h。MPU結構體定義如下，關於MPU寄存器的詳細信息可以訪問https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit，查看頁面上的Table 4.38. MPU registers summary。查看頁面上的Table 4.38. MPU registers summary。下文在講解代碼時會涉及MPU的各個寄存器。
#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個內存區域，kernel\arch\arm\cortex-m4\gcc\los_mpu.c文件中定義的宏如下：
#define MPU_MAX_REGION_NUM 82、MPU常用操作
MPU常用操作函數包含使能MPUHalMpuEnable、失能MPUHalMpuDisable，設置指定的內存區域屬性HalMpuSetRegion，失能指定的內存區域HalMpuDisableRegion和獲取未使用的內存區域編號HalMpuUnusedRegionGet。
2.1 使能MPUHalMpuEnable
該函數使能MPU功能，⑴處對MPU控制寄存器MPU Control Register進行操作，通過對寄存器相關的bit位進行賦值來使能MPU。有關該寄存器建議詳細閱讀https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-control-register。⑵處代碼使能MemoryFault異常。接着執行的數據同步屏障__DSB()和指令同步屏障__ISB()，詳細的可以查閱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
代碼很簡單，直接把MPU控制寄存器賦值爲0來失能MPU功能。
VOID HalMpuDisable(VOID)
{
UINT32 intSave = HalIntLock();
MPU->CTRL = 0;
__DSB();
__ISB();
HalIntRestore(intSave);
}2.3 失能指定的內存區域HalMpuDisableRegion
HalMpuDisableRegion函數執行後不再對指定的內存區域進行MPU保護，⑴處校驗參數合法性。⑵處沒有使用的MPU內存區域無法失能。⑶處獲取MPU的類型寄存器，詳細可以訪問https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-type-register。
⑷處表示MPU的數據內存區域（MPU data regions）數量不爲空時，執行⑸處代碼更新MPU內存區域編號寄存器(MPU Region Number Register
)爲指定的內存區域編號，詳細的信息可以參考https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-number-register。然後執行⑹處代碼更新MPU內存區域屬性和大小寄存器(MPU Region Attribute and Size Register
)，詳細可以參考https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-attribute-and-size-register。⑺處把全局變量數組中指定的區域編號設置爲未使用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 設置指定的內存區域屬性HalMpuSetRegion
HalMpuSetRegion函數設置指定的內存區域的屬性。⑴處對參數進行合法性校驗。⑵處如果MPU類型寄存器中表示的數據內存區域的數量爲0，無法繼續設置內嵌區域，直接返回LOS_NOK。⑶處調用函數HalMpuEncodeSize根據內存區域的實際大小值獲取編碼大小，該值後續會被賦值給MPU屬性和大小寄存器的size位。⑷判斷內存區域需要相對內存區域大小進行內存對齊，否則返回LOS_NOK。
⑸處計算基地址寄存器的數據，有關基地址寄存器（MPU Region Base Address Register），可以訪問https://developer.arm.com/documentation/dui0552/a/cortex-m3-peripherals/optional-memory-protection-unit/mpu-region-base-address-register瞭解更多。⑹處計算屬性和大小寄存器的數值。⑺處如果指定的內存區域被使用，直接返回LOS_NOK。⑻處設置MPU相關的寄存器，並標記該內存區域已使用。代碼如下：
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根據內存區域實際大小獲取size屬性值
HalMpuEncodeSize函數根據內存區域實際大小獲取size屬性值，對應的計算公式爲：(Region size in bytes) = 2^(SIZE+1)，詳細信息可以訪問MPU屬性和大小寄存器官網資料頁面的Table 4.44. Example SIZE field values。32bytes對應4,1KB對應5，…,4GB對應31。
⑴處表示內存區域大小不能大於4GB，然後判斷是否相對32字節進行內存對齊。⑵處先右移2位，然後while循環，執行⑶每向右循環一位，size屬性大小增加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根據size屬性值和配置參數計算屬性和大小寄存器的值
HalMpuGetRASR根據size屬性值和配置參數計算屬性和大小寄存器的值。⑴處根據配置的訪問權限計算AP（ACCESS permission），然後計算屬性和大小寄存器的值，最後執行⑶給寄存器賦值。
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;
}