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一、前言
ARMv8-M 支持 MPU，FreeRTOS 也添加了對這些 MPU 的應用代碼。這裡用來記錄 FreeRTOS 對 MPU 應用方式的探究結果。
二、ArmV8-M MPU 介紹
ARMv8-M MPU 支持每個安全狀態(non-secure 和 secure)0-8個區域的配置。
MPU 的主要特性如下:
- 區域最小大小為32位元組，最大為4GB，但必須為32位元組的整數倍
- 所有的區域必須以32位元組對齊
- 每個區域對兩個處理器模式(privileged 和 unprivileged)擁有獨立的讀/寫許可權
- eXecure Never(XN)屬性可以用來分割代碼段和數據段
三、FreeRTOS 對 MPU 的應用
FreeRTOS 對 MPU 的配置主要體現在2個方面：
- 配置 MPU Region，隔離 code / data
- 提供 unpriviliged task 調用 priviliged api 的機制
MPU Region 劃
以 8個 MPU Region 為例，FreeRTOS 對 MPU 的使用情況如下：
在該配置下，要求同一個 section 的 code / data 放在連續的地址空間；
若實際硬體上有多塊不連續的 flash 或 sram，則需要控制鏈接文件讓相同 section 的數據位於連續空間；
若實在無法滿足上述約束，則需要改造 FreeRTOS 的 MPU 配置（可能需要減少用戶自定義 Region 數量）。
系統調用方式
在 MPU 開啟後，kernel api 處於 privileged section, unprivilege task 會被MPU屏蔽而無權直接訪問；
FreeRTOS 提供了 wrapper 層，用於間接調用 kernel api，其命名為 MPU_xxx(xxx 是 kernel api 名稱)。
為了確保相容性，減少用戶調用的複雜性，FreeRTOS 還通過 mpu_wrapper.h 將 xxx 映射為 MPU_xxx。
系統調用目前有2個版本，分為 mpu_v1 和 mpu_v2。
1、MPU V1
mpu_v1 的工作流程如下：
可以看到，task 需要先調用 wrapper 層的介面 MPU_xxx，再由 wrapper 層調用 kernel api；
在 mpu_wrapper 中，會對 task 的許可權做檢查：
- privileged task : task 有權訪問 kernel privileged function，mpu_wrapper 直接調用 kernel api；
- unprivileged task : task 無權直接訪問 kernel privileged function，mpu_wrapper 需要先通過 svc 臨時提升任務許可權，然後調用 kernel api，最後在 mpu_wrapper 返回前恢複原始任務許可權；
2、MPU V2
mpu_v2 的工作流程如下：
與 mpu_v1 相比，mpu_v2 有如下改動：
- 添加了轉換層（mpu_wrapper_v2），用於隱藏內核對象句柄（FreeRTOS的內核對象句柄是內核對象的指針）；
- unprivileged task 調用 kernel api 時，會將棧切換到專用的 system call stack；
根據討論，這麼做的主要目的是為了防止泄露信息給 unprivileged task.
四、MPU 對 FreeRTOS 的其他影響
pxTopOfStack 的變化
pxTopOfStack 是 TCB 中的首個成員，主要用於任務切換時記錄棧的位置。
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在未開啟 MPU 時，pxTopOfStack 直接指向任務棧，cpu 上下文信息存儲在任務棧上；
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在開啟 MPU 後，pxTopOfStack 指向 TCB 中的 ulContent 區域，cpu 上下文信息存儲在 ulContent 中，而任務的棧指針則存儲在 ulContent 中。
