内存保护单元MPU

一、介绍

内存保护单元 是一种硬件模块，通常集成在处理器内核中，用于管理和管理对内存的访问，以提高系统的可靠性和安全性。

它的核心任务是保护。想象一下，一个操作系统中有多个任务在运行：

* 任务A的代码 bug 可能会错误地写入任务B的数据内存区域，导致任务B崩溃。

* 一个恶意的应用程序可能会尝试访问操作系统的内核代码区域，获取系统控制权。

MPU就是为了防止这类问题而存在的“内存警察”。

 

二、MPU 的工作原理

1. 定义区域：软件（通常是操作系统内核）为MPU配置一系列保护区域。每个区域由以下属性定义：

   * 起始地址：该区域在内存中的开始位置。

   * 大小：该区域的范围。

   * 访问权限：规定什么模式可以访问该区域（如：只读、读/写、禁止访问）。

      * 特权访问：仅允许在特权模式下运行的代码（如操作系统内核）访问。

      * 用户访问：允许在用户模式下运行的代码（如应用程序）访问。

   * 内存属性：例如该区域是否可缓存、是否可共享等。

2. 实时监控：

在程序运行期间，MPU硬件会实时检查处理器发出的每一次内存访问（取指令、加载数据、存储数据）。

3. 执行规则：

   * 如果访问符合为该内存区域定义的规则，则访问正常进行。

   * 如果访问违反了规则（例如，一个用户程序试图写入一个只读区域，或访问一个未分配给它的区域），MPU会立即触发一个异常（通常是 MemManage Fault）。

4. 异常处理：

CPU会暂停当前违规的任务，并跳转到操作系统预设的异常处理程序。操作系统可以据此终止这个“行为不端”的任务，并可能记录错误日志，从而防止它破坏其他任务或系统本身，保证了系统的整体稳定。

三、MPU与MMU的区别

MPU 内存保护单元与 MMU 内存管理单元的区别，应用场景 实时操作系统，对确定性要求高的场景，成本敏感的微控制器。硬件成本简单，成本低，面积小

MPU对虚拟内存不支持，MPU工作在物理地址上。 

MMU的核心功能是虚拟地址到物理地址的转换（通过页表）。 应用场景是大型操作系统，需要复杂内存管理的场景。硬件复杂，成本高，面积大（需要TLB等缓存）

简单比喻：

* MMU 像是一个带高级GPS和区域权限管理的出租车系统。它不仅可以带你到任何地方（虚拟地址 -> 物理地址），还能确保你不会进入禁区（内存保护）。

* MPU 则像一个固定的路障和检查站系统。它没有GPS功能，但它在各个关键路口设卡，检查你的车辆是否有权限进入前方的区域（内存保护）。

 

四、MPU 的应用场景

MPU广泛应用于运行实时操作系统 的微控制器中，例如：

* FreeRTOS with MPU support

* Azure RTOS ThreadX

* Zephyr RTOS

在这些系统中，MPU用于：

* 保护内核代码和数据不被应用程序破坏。

* 隔离不同任务（进程）的堆栈和数据空间，实现任务间的内存保护。

* 将某些关键内存区域设置为只读（例如，存储常数或代码的Flash区域），防止意外写入。

* 标记某些内存区域为“不可执行”，防止代码注入攻击，提升安全性。