ARM-Grundlagen (3): Detaillierte Erklärung und Beispiele der MPU-Speicherschutzeinheit

MPU ( Memory Protection Unit) ist eine Funktion von ARM-Prozessoren, die Speicherschutz- und Zugriffskontrollfunktionen bietet und normalerweise zur Implementierung der Speicherisolation und des Schutzes von Betriebssystemen verwendet wird. Beispielsweise können wir den gesamten RAM auf nicht ausführbar setzen, sodass Code-Injection-Angriffe vermieden werden können. Bei der Durchführung kürzlich durchgeführter Projekte verwendeten mehrere Cortex-Kerne MPU. Ich habe festgestellt, dass MPU nicht nur eine Rolle beim Speicherschutz spielt, sondern auch mit dem Cache zusammenhängt und auch die Zugriffsgeschwindigkeit externer Speichergeräte beschleunigen kann. In diesem Artikel wird die MPU im Detail vorgestellt.

Hier nehmen wir den Kern der Cortex-M7-Serie als Beispiel, um die MPU vorzustellen. Tatsächlich sind Cortex-M-Kerne in Bezug auf MPUs grundsätzlich gleich, mit Ausnahme von Cortex-M33, der die Unterregion und überlappende Funktionen aufhebt, weil Es kann jede Bereichsgröße flexibler anpassen.

1 MPU-Funktionen

Die MPU ermöglicht einem Prozess den Zugriff auf 16 Speicher- oder Peripheriebereiche (0–15), und die Position und Größe jedes Bereichs (muss 2^n und größer als 32 Byte sein) ist konfigurierbar.

• Jeder Bereich kann weiter in bis zu 8 Unterbereiche unterteilt werden, und die Größe jedes Unterbereichs beträgt mindestens 32 Byte, was durch die Länge der Cache-Zeile bestimmt wird
• Zusätzlich zu den 16 Regionen gibt es eine Standardregion mit der Nummer -1, die die niedrigste Priorität hat
• Diese Regionen können sich überlappen oder verschachtelt sein . Region 15 hat die höchste Priorität und Region 0 die niedrigste Priorität, was das Verhalten der Regionsüberlappung bestimmt.

Schauen wir uns ein Beispiel an:

Die obige Abbildung zeigt ein Beispiel mit sechs Regionen. Region 4 überschneidet sich mit den Regionen 0 und 1 und Region 5 ist in Region 3 enthalten. Da die Prioritäten aufsteigend sind, haben überlappende Bereiche (orange) Vorrang. Wenn also Bereich 0 beschreibbar ist und Bereich 4 nicht, sind Adressen, die sich zwischen 0 und 4 überschneiden, nicht beschreibbar.

• Die MPU unterscheidet nicht zwischen Zugriffsrechten für Anweisungen und Daten, sondern nutzt denselben Bereich, um den Zugriff auf Daten und Anweisungen zu steuern.
• Die MPU kann auch andere Speicherattribute definieren, beispielsweise die Cachefähigkeit einer Region, die an die Cache-Einheit oder den Speichercontroller des Systems übergeben werden.
  • ARM架构支持两级Cache：内部Cache(L1-Cache)和外部Cache(L2-Cache)。其中L1缓存位于处理器核心附近，距离处理器最近，提供最快的访问速度。L2缓存位于L1缓存之外，相对于处理器来说较远，但仍然比主存更快，提供较大的容量。

2 内存类型

一般有三种常见的内存类型：
1、Normal Memory：允许CPU以高效的方式对字节、半字和字进行加载和存储操作(编译器不知道内存区域类型)。对于普通内存区域，加载和存储的顺序不一定按照程序中列出的顺序执行。
2、Device Memory：加载和存储操作严格按照顺序执行，以确保寄存器按照正确的顺序进行设置。
3、Strongly Ordered Memory：一切操作都严格按照程序中列出的顺序执行，CPU会等待加载/存储指令执行完成后才执行程序流中的下一条指令。这会导致性能下降。

3 内存属性

MPU的区域属性和大小寄存器MPU_RASR(Region Attribute and Size Register)用来设置所有内存属性，寄存器各个字段的功能如下表所示：

bits	Name	Description
28	XN	Execute never
26:24	AP	Data access permission field (RO, RW, or No access)
21:19	TEX	Type extension field
18	S	Shareable
17	C	Cacheable
16	B	Bufferable
15:8	SRD	Subregion disabled. 1 = disabled, 0 = enabled
5:1	SIZE	the size of the MPU protection region

(1) XN: Steuern Sie die Ausführung des Codes. Zu diesem ZeitpunktXN=1 wird auf den entsprechenden Speicherbereich zugegriffen MemManage Fault.
(2) AP: Steuern Sie die Zugriffsrechte des Speicherbereichs, wie in der folgenden Tabelle gezeigt

AP[2:0]	Privilegierte Berechtigungen	Unprivilegierte Berechtigungen	Beschreibung
000	Kein Zugang	Kein Zugang	Alle Zugriffe erzeugen einen Berechtigungsfehler
001	RW	Kein Zugang	Zugriff nur über eine privilegierte Software
010	RW	RO	Das Schreiben durch eine unprivilegierte Software führt zu einem Berechtigungsfehler
011	RW	RW	Voller Zugriff
100	Unvorhersehbar	Unvorhersehbar	Reserviert
101	RO	Kein Zugang	Nur von einer privilegierten Software gelesen
110	RO	RO	Nur lesen, von privilegierter oder nicht privilegierter Software
111	RO	RO	Nur lesen, von privilegierter oder nicht privilegierter Software

(3) S: Gibt an, ob der Speicherbereich gemeinsam genutzt werden kann. Wenn eine Region gemeinsam genutzt werden kann, können mehrere Busmaster gleichzeitig darauf zugreifen und das System stellt Mechanismen zur Datensynchronisierung bereit. Wenn eine Region jedoch nicht gemeinsam genutzt werden kann, ist Software erforderlich, um die Kohärenz der Daten zu steuern, auf die mehrere Busse zugreifen.

• Bei einigen Chips wird der Datensynchronisationsmechanismus der Hardwareschicht nicht unterstützt, Sdaher wird er verwendet, um anzugeben, ob der Bereich vorhanden istnon-cacheable

(4) TEX, C, B: Diese drei Felder definieren die Cache-Eigenschaften des Speicherbereichs und können bis zu einem gewissen Grad dessen Gemeinsamkeit bestimmen ( SFeld)

TEX	C	B	Speichertyp	Beschreibung	Teilbar
000	0	0	Dringend bestellt	Dringend bestellt	Ja
000	0	1	Gerät	Geteiltes Gerät	Ja
000	1	0	Normal	Durchschreiben, keine Schreibzuweisung	S bisschen
000	1	1	Normal	Zurückschreiben, keine Schreibzuweisung	S bisschen
001	0	0	Normal	Nicht zwischenspeicherbar	S bisschen
001	0	1	Reserviert	Reserviert	Reserviert
001	1	0	Nicht definiert	Nicht definiert	Nicht definiert
001	1	1	Normal	Zurückschreiben, Schreiben und Lesen zuordnen	S bisschen
010	0	0	Gerät	Nicht gemeinsam nutzbares Gerät	NEIN
010	0	1	Reserviert	Reserviert	Reserviert

• Wenn shareabledas Bit 1 ist, wird die Cache-Strategie nicht TEX/C/Bdurch das Feld beeinflusst, sondern als festgelegtnon-cacheable
• Bufferableund Cacheableder Unterschied? BufferableEs konzentriert sich hauptsächlich auf die Lese- und Schreibeffizienz des Speicherzugriffs, der verwendet wird, um Daten vorab abzurufen oder zu entscheiden, wann Daten gemäß ihrer Pufferstrategie in den Speicher zurückgeschrieben werden sollen. Attribute hingegen Cacheablekonzentrieren sich auf die Geschwindigkeit des Datenzugriffs und ermöglichen es dem Prozessor, Daten für einen schnelleren Zugriff im Cache zu speichern.
• Write through with no write allocate: Bei einem Treffer (erforderliche Daten sind im Cache vorhanden) werden Daten in den Cache und den Hauptspeicher geschrieben. Bei einem Fehlschlag wird nur der Block im Hauptspeicher aktualisiert, ohne in den Cache zu schreiben.
• Write-back with no write allocate: Wenn der Prozessor einen Schreibvorgang ausführt und sich die Daten bereits im Cache befinden, werden nur die Daten im Cache aktualisiert und nicht sofort in den Hauptspeicher zurückgeschrieben. Erst wenn die Daten im Cache ersetzt werden müssen, werden die neuesten Daten in den Hauptspeicher zurückgeschrieben.
• Write-back with write and read allocate: Wenn der Prozessor einen Schreibvorgang ausführt und sich die Daten bereits im Cache befinden, aktualisieren Sie die Daten im Cache und schreiben Sie sie in den Hauptspeicher. Wenn der Prozessor einen Lesevorgang ausführt, sind die Daten nicht im Cache vorhanden, sondern er liest den gesamten Block aus dem Hauptspeicher in den Cache

(5) SRD: Markieren Sie den aktivierten oder deaktivierten Status eines bestimmten Unterbereichs. Wenn ein Unterbereich deaktiviert ist, wird der Zugriff innerhalb dieses Unterbereichs durch andere aktivierte Bereiche überlagert. Wenn keine anderen aktivierten Regionen die deaktivierte Unterregion überlappen, generiert die MPU einen Fehler, der angibt, dass der Zugriff illegal oder nicht erlaubt ist.

Hinweise zu Cortex-M7 :
(1) TCM( Tightly Coupled Memories, Eng gekoppelter Speicher) wird immer als nicht zwischenspeicherbarer, nicht gemeinsam genutzter gewöhnlicher Speicher behandelt, unabhängig davon, welche Speichertypattribute die MPU für den Speicherbereich im TCM definiert.
(2) speculative prefetch
Prefetching ist eine Optimierungstechnik des Prozessors, mit der Daten vorab aus dem Hauptspeicher in den Cache des Prozessors geladen werden, damit bei Bedarf schneller darauf zugegriffen werden kann. Da der Prozessor jedoch nicht im Voraus genau wissen kann, welche Daten tatsächlich verwendet werden, können Vorabrufvorgänge manchmal zu unnötigem Overhead führen. Dies betrifft einige Speicher oder Geräte, die auf Mehrfachzugriffe empfindlich reagieren, wie z. B. FIFOs, LCD-Controller usw. Gleichzeitig kann es die Bandbreite anderer Master-Geräte wie LCD oder DMA belegen.

Um den Leistungsverlust durch unnötiges Prefetching zu vermeiden, führt der Cortex-M7-Prozessor constraint speculative prefetchEinschränkungen ein. Dies bedeutet, dass der Prozessor in einigen Fällen den Vorabrufvorgang einschränkt und den Vorabrufvorgang nicht durchführt, z. B. indem er den Speichertyp in Device Memoryoder über das Speicherattribut der MPU ändert Strongly Ordered Memory.

4 MPU-Konfigurationsbeispiel für I.MX RT1170

Für den Cortex-M7-Kern von I.MX RT1170 können wir die folgenden Makros verwenden, um einen MPU-Bereich zu definieren ARM_MPU_RBARund zu konfigurieren:ARM_MPU_RASR

* \param Region            The region to be configured, number 0 to 15.
* \param BaseAddress       The base address for the region.
MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(Region, BaseAddress);

* \param DisableExec       Instruction access disable bit, 1= disable instruction fetches.
* \param AccessPermission  Data access permissions, allows you to configure read/write access for User and Privileged mode.
* \param TypeExtField      Type extension field, allows you to configure memory access type, for example strongly ordered, peripheral.
* \param IsShareable       Region is shareable between multiple bus masters.
* \param IsCacheable       Region is cacheable, i.e. its value may be kept in cache.
* \param IsBufferable      Region is bufferable, i.e. using write-back caching. Cacheable but non-bufferable regions use write-through policy.
* \param SubRegionDisable  Sub-region disable field.
* \param Size              Region size of the region to be configured, for example 4K, 8K.
MPU->RASR = ARM_MPU_RASR((DisableExec, AccessPermission, TypeExtField, IsShareable, IsCacheable, IsBufferable, SubRegionDisable, Size));

Die Standard-MPU-Konfiguration im RT1170 ist sehr lang und ich habe einen Teil weggelassen, da einige Speicherkonfigurationen gleich sind. Darüber hinaus habe ich auch die Initialisierung von Cache-bezogenen Segmenten weggelassen. Ich werde in Zukunft einen Artikel über ICache und DCache zur Analyse schreiben. Das Folgende ist der Standard-MPU-Konfigurationscode in RT1170:

• Die Basisadresse der Region muss auf ein ganzzahliges Vielfaches der Regionsgröße ausgerichtet sein

	/* Region 0 setting: Instruction access disabled, No data access permission. */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(0, 0x00000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(1, ARM_MPU_AP_NONE, 0, 0, 0, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_4GB);

    /* Region 1 setting: Memory with Device type, not shareable, non-cacheable. */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(1, 0x80000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 2, 0, 0, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_512MB);

    /* Region 3 setting: Memory with Device type, not shareable, non-cacheable. */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(3, 0x00000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 2, 0, 0, 0, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_1GB);

    /* Region 4 setting: Memory with Normal type, not shareable, outer/inner write back */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(4, 0x00000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_FULL, 0, 0, 1, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_256KB);
    
	/* Region 8 setting: Memory with Normal type, not shareable, outer/inner write back. */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(8, 0x30000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_RO, 0, 0, 1, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_16MB);

(1) Region 0 : Ordnen Sie die gesamte Adresse des Chips zu, dh der maximale Adressbereich der 32-Bit-Adressierung beträgt 4G, und die Standardzuweisung ist nicht ausführbar und nicht zugänglich. Dies liegt daran, dass die Konfiguration der MPU durch eine Konfiguration mit hoher Priorität überschrieben werden kann. Dies bedeutet also, dem Speicherbereich, der später nicht konfiguriert wird, eine Standardberechtigung zuzuweisen. (2) Region 1: Dies ist die Zuordnungsadresse von SDRAM,
hier wird es definiert als Device Memory, dh non-shareable. Zeigt an, dass die CPU-Prefetch-Funktion für diesen Speicher abgebrochen wurde.
(3) Region 3 : Stellen Sie den Speicher auf 0x00000000~0x40000000 ein Device Memoryund Region 0legen Sie den gleichen Standardwert fest.
(4) Region 4 : Dies ist die Adresse des ITCM des Systems. Stellen Sie den Speichertyp auf ein Normal Memory. Hier ist es auf non-shareable, cacheableund gesetzt bufferable, was angibt, dass die Daten im Cache verwendet werden und nur in den Speicher geschrieben werden, wenn die Cache-Daten ausgelagert werden
(5) Region 8 : Dies ist die Zuordnungsadresse von NOR Flash und Region 4die Die Konfiguration von und ist grundsätzlich dieselbe, mit Ausnahme von NOR. Wenn Sie bei Flash die FlexSPI-Zuordnung verwenden, ist dieser Speicher schreibgeschützt. Wenn Sie NOR-Flash schreiben müssen, müssen Sie die Funktion von FlexSPI aufrufen xfer, um den entsprechenden Schreibzeitpunkt zu generieren

• Es gibt auch Speicher für die AIPSKonfigurationsregisterzuordnung, der hier ebenfalls weggelassen wird und tatsächlich konfiguriert ist Device Momory.