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1 何为MPU

• MPU（Memory Protection Unit），即存储保护单元，它是位于存储器内部的一个可编程的区域，定义了存储器的属性和存储器的访问权限。用于检测系统访问非法地址或者访问无许可的地址，在触发错误后，会进入硬件错误异常（通过Trap可对错误进行识别，并进行相应的处理）。

• 在如下的情况中使得系统更加安全：
  1）、避免应用任务破坏其他任务或者OS内核使用的栈或数据存储器。
  2）、避免非特权任务访问对系统可靠性和安全性很重要的外设。
  3）、将SRAM或RAM定义为不可执行的(永不执行，XN)，可以防止代码注入攻击。

2 MPU相关的硬件子系统

2.1 基于地址范围保护逻辑说明

注意： 每个核存在各自独立的寄存器，不可认为共用相关寄存器

2.1.1 地址范围寄存器

数据地址范围寄存器：用于限制数据的读取、写入地址范围
DPRx_L：定义数据范围对x的下地址边界
DPRx_U：定义数据范围对x的上地址边界

备注：
a）、D: Data，P: Protection, R: Range, L: Lower
b)、范围存在一个最小粒度，即最小的保护范围（如下图寄存器说明，最低3位为不可写入，所以粒度为8）

代码地址范围寄存器：用于限制代码执行地址范围
CPRx_L：定义代码范围对x的下地址边界
CPRx_U：定义代码范围对x的上地址边界

备注：
a）、C: Code，P: Protection, R: Range, L: Lower
b)、范围存在一个粒度，即最小的保护范围（如下图寄存器说明，最低5位为不可写入，所以粒度为32）

2.1.2 读、写、执行权限寄存器

DPWE_x（数据保护写使能寄存器，x为保护集编号）：定义保护集对各个数据范围寄存器的写入权限是否使能

备注：
a）、D: Data，P: Protection, W: Write, E: Enable，x：保护集编号

DPRE_x（数据保护读使能寄存器，x为保护集编号）：定义保护集对各个数据范围寄存器的读出权限是否使能

备注：
a）、D: Data，P: Protection, R: Read, E: Enable，x：保护集编号

CPXE_x（代码保护执行使能寄存器，x为保护集编号）：定义保护集对各个代码范围寄存器的执行权限是否使能

备注：
a）、C: Code，P: Protection, X: Execute, E: Enable，x：保护集编号

2.1.3 保护集设置位

PRS（保护寄存器集位）：用于设置当前核的使能的保护集编号

备注：
a）、P: Protection，P: Register, S:Set

2.1.4 内存保护功能使能位

PROTEN（内存保护使能位）：用于使能内存保护功能

备注：
a）、PROT: Protection，E: Enable

2.1.5 核的内存保护范围获取说明

• 根据核使能的保护集编号，可以知道相应的读、写及执行权限相关寄存器
• 根据读、写及执行相关寄存器中，关于范围寄存器的范围是否使能，得到单个范围
• 将所有是能的范围取并集，即可得到当前核的保护范围

2.1.6 保护使能基本机理

• SYSCON寄存器中的保护启用位(SYSCON. PROTEN)
• 设置保护寄存器地址范围设置（DPRx_L、DPRx_U，CPRx_L、CPRx_U）
• 设置访问权限寄存器（DPWE_x、DPRE_x、CPXE_x）
• 选择保护集(PSW.PRS)

2.2 外设寄存器操作及指令执行保护

2.2.1 用户模式设置状态位(PSW程序状态寄存器)

IO：用于设置当前的用户模式（仅在非可信应用集中会设置为User，与SYSCON的U1_IED、U1_IOS配合使用）

• 00B : User-0 Mode ：禁止访问具有外设空间属性的内存区域，并导致PSE或MPP陷阱
• 01B : User-1 Mode ：定期访问外围。允许访问没有特殊保护的常见外围设备，包括对串行I/O端口的读/写访问，对计时器的读访问，以及对大多数I/O状态寄存器的访问。这个级别的任务可以禁用中断。(该模式的默认行为可能会被系统控制寄存器覆盖，即可设置)
• 10B : Supervisor Mode ：允许访问所有外围设备。它允许对核心寄存器和受保护的外围设备进行读写访问。这个级别的任务可以禁用中断

2.1.2 用户模式下指令及寄存器访问权限设置（SYSCON系统控制寄存器）

• U1_IOS：控制外设寄存器访问权限（User_1 Mode）
• U1_IED：指令访问/执行权限使能（User_1 Mode）

2.3 错误处理机制

在违背内存保护范围进行访问相应地址时（或者其他行为），会触发相应的Trap（内存保护属于其中的class 1）。在此基础上存在TIN（Trap Identification Number），用于定位更具体的错误原因，如图所示

注意：
基于范围的存储保护系统（MPU）产生三个陷阱，每个陷阱对应三个保护模式寄存器位：

• MPW trap = WE bit （MPW = memory protection write）
• MPR trap = RE bit （MPR = memory protection read）
• MPX trap = XE bit （MPX = memory protection execute）

2.4 寄存器操作指令说明

2.4.1 相关寄存器操作指令

如图所示 ，内存保护寄存器、PSW以及SYSCON这些与内存保护相关寄存器属于特殊功能寄存器（CSFRs），并且此类寄存器操作需要特殊指令（MTCR：写入指令、MFCR：读出指令）

2.4.2 写入指令（MTCR）

MTCR（Move To Core register）: 数据写入寄存器
该指令包含两个参数：

• 寄存器地址(从芯片手册获取)
• 写入的值
  例：MTCR(RegAddr, RegVaule);

2.4.3 读出指令（MFCR）

MFCR（Move From Core register） 从寄存器读出数据
该指令包含一个参数：

• 寄存器地址(从芯片手册获取)
  例：RegVaule = MTCR(RegAddr );

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