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6EP1931-2DC21

6EP1931-2DC21 內存保護單元（MPU）是一種硬件機制，通過只允許代碼訪問需要的內存和外設來提高嵌入式設備的安全性。應用程序可以組織為進程（process），每個進程訪問自己的內存和外設。MPU不僅阻止應用程序代碼訪問其區域以外的內存或外設，而且還可以用于檢測堆棧溢出。

我們基于ARM Cortex-M MCU中的MPU，討論一下MPU所提供的一些特性。

MPU是什么？

內存保護單元（MPU）是一種硬件機制，只允許需要訪問某些資源的代碼訪問相應的內存和外設。MPU常用于安全關鍵應用，如醫療設備、航空電子設備、工業控制、核電站等，提高嵌入式應用的穩定性和安全性。

在IoT應用中，也可以通過MPU限制對內存和外設的訪問，提高產品的安全性。例如，可以通過MPU機制隱藏加密密鑰以拒絕攻擊者訪問；使用MPU隔離Flash控制器也可以防止攻擊者更改應用程序，只允許受信任的代碼執行代碼更新。

通過MPU將RTOS任務劃分為進程，如圖1所示。每個進程可以包含任意數量的任務。進程內的任務可以訪問分配給該進程的內存和外設。增加MPU時，從任務的角度幾乎不用更改，除非任務之間存在交互。

進程間可以通過共享內存進行通信，兩個進程的MPU配置表中將出現相同的區域。

應用中也可以包含具有完全權限的系統級任務和ISR，允許它們訪問所有內存、外設或CPU。

當違規發生時，系統的行為取決于應用程序，是哪個任務違規。例如，如果違規是由圖形用戶界面（GUI）造成的，可以終止并重新啟動GUI，并且不會影響系統的其它部分。但是，如果違規任務控制一個制動器，則異常處理程序可能需要在重啟任務之前立即停止制動器。

理想情況下，在產品開發過程中會捕獲并糾正訪問違規，否則，系統設計人員將需要評估所有可能的結果，并決定發生這種情況時該做什么。

使用MPU檢測堆棧溢出

在基于RTOS的應用中，每個任務都需要單獨的堆�？臻g。堆棧溢出可能是基于RTOS的系統開發人員所面臨的最常見的問題之一。如果沒有硬件幫助，堆棧溢出檢測可以由軟件實現，但軟件方式不能及時捕獲溢出，可能導致產品不穩定。MPU可以幫助防止堆棧溢出。

MPU域可用于堆棧溢出檢測，使用一個小的域（RedZone）來覆蓋每個任務堆棧的底部。配置MPU屬性，如果有任何代碼嘗試寫入該區域，將觸發MPU異常。域的大小決定了該方法在捕獲堆棧溢出方面的效率。

區域越大，堆棧溢出捕獲的可能性就越大，同時堆�？捎玫�RAM就越少。換言之，RedZone域被認為是不可用的內存，它被用來檢測非法寫入。開始時可以將RedZone大小設置為32個字節，如果任務堆棧為512個字節，那么32個字節約占用6%，剩余480個字節的可用堆�？臻g。

另一種檢測方法是將整個任務堆棧封裝為一個MPU區域，允許讀寫操作。該方法有兩個問題：首先，在Cortex-M（ARMv7M架構）上，堆棧的大小需為2的冪，并且必須在冪邊界（即32、64、128、256、512等）上對齊。

如果嵌入式應用有足夠的RAM，那么這不是問題；然而，在資源受限的應用 （如Cortex-M MCU）中，在減少浪費的同時設置合適的堆棧內存會很復雜。其次，該方法不允許寫同一進程中的其它任務堆棧，不允許進程中的任務通過堆棧傳遞信息。

6EP1931-2DC21 IC697BEM713     IC697BEM721     IC697BEM731
IC697BEM733     IC697BEM741     IC697BEM761
IC697CBL700     IC697CBL709     IC697CBL803
IC697CBL811     IC697CBL826     IC697CGR772
IC697CGR935     IC697CMM711
IC697CMM712     IC697CMM741     IC697CMM742
IC697CPM790     IC697CPU731     IC697CPU780
IC697CPU788     IC697CPU789     IC697CPX772
IC697CPX782     IC697CPX928     IC697CPX935
IC697CSE784     IC697CSE925     IC697GDH701
IC697GDS701     IC697HSC700     IC697LBR701
IC697MCS704     IC697MDL240     IC697MDL241
IC697MDL250     IC697MDL251     IC697MDL252
IC697MDL253     IC697MDL254     IC697MDL340
IC697MDL341     IC697MDL350     IC697MDL640
IC697MDL651     IC697MDL652     IC697MDL653
IC697MDL654     IC697MDL671     IC697MDL740
IC697MDL750     IC697MDL752     IC697MDL753
IC697MDL940     IC697MEM713     IC697MEM715
IC697MEM717     IC697MEM719     IC697MEM731
IC697MEM732     IC697MEM733     IC697MEM735
IC697MLX000     IC697MSC800     IC697MSC801
IC697MSC802     IC697PCM711     IC697PWR710
IC697PWR711     IC697PWR720     IC697PWR724 
IC697PWR748     IC697RCM711     IC698ACC701     IC698ACC720
IC698ACC735     IC698CHS009     IC698CHS017