理解与应用 MPU的特权与用户模式

前言
STM32系列支持MPU内存保护单元，可用来设定内存的属性和访问权限。MPU的应用笔记提到，将属性寄存器（MPU_RASR）配置成某一个值，在特权(Privileged permissions)和用户模式(Unprivileged permissions)的访问许可是不同的，甚至可将用户模式的权限设置成不可访问。那么，什么是MPU的特权模式和用户模式呢？ 接下来我们在这篇文章来理解这些名词，并讨论在STM32 MCU代码中如何使用内存保护单元MPU的特权与用户模式。
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MPU(Memory Protection Unit)
) I3 N0 w9 o8 ]3 ?6 B2 h" Q+ TMPU内存保护单元可以用来使嵌入式系统更加健壮与安全。它可以阻止用户应用程序破坏系统关键数据。它可以通过将内存SRAM区域定义成不可执行，来阻止代码注入型攻击。也可以用来改变内存的性质，例如是否允许缓存(Cache)。
用来设置内存属性的 MPU_RASR寄存器字段描述如下：
4 x$ B, ~+ m5 n# e. ]+ Q8 l
图表 1 MPU_RASR字段

7 `& _9 L7 b2 v7 l5 s1 l在MPU_RASR中用来设置数据访问许可的AP字段详细设置选项如下：

- Y; T  U* W' o, [! J% \图表 2 内存访问权限设置

特权模式（Privileged mode）与用户模式(UnPrevileged mode)
/ q1 z" T, w) Y! o特权模式与用户模式是指Cortex内核的执行模式。它不是MPU的一部分，但与MPU单元有关联。当代码运行在特权模式下，代码拥有所有的访问许可；而代码运行在用户模式，则访问权限受限制。限制包括在系统设计阶段就定义的可运行指令限制，可访问内存以及外设限制。也包括由MPU单元动态所定义的内存访问规则。
( H+ G2 I/ \* L" |0 s6 v9 G从特权模式进入用户模式，只需使用MSR指令操作CONTROL寄存器。但是，不可以直接从用户模式转入特权模式，必须经过一个异常处理操作模式，比如SVC（ Supervisor Calls）。在异常处理通过操作CONTROL寄存器，可从用户模式回到特权模式。请注意，特权线程与异常处理线程，都是在特权模式下运行。
( x8 O" j8 ?. ?9 j2 n如下图所示：


, a- k2 K3 L( Y1 A. Z8 I在代码中结合特权与用户模式使用MPU
1. 开发环境
/ i' o; @9 Z: N5 Z5 d5 B" K开发板： STM32 L476RG NUCLEO
开发工具：STM32Cube_FW_L4_V1.7.0
                IAR/Keil
注：也可以选择其他STM32系列并选择相应的开发板与固件库。
, z# R& @- f1 c3 r   
2. 开发目标定义
在软件中定义一块数组，使用MPU将该区域配成仅可从特权模式下进行访问，并验证用户模式下访问会导致内存管理异常或者硬错误。
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, s% R, y. k" y; W图表 3 特权模式与用户模式的切换

6 F  t  T$ _/ O) l( K' w7 c3. 代码资源与整合
STM32 Cube固件库提供了大量的例程供学习和重用。查找STM32Cube_FW_L4_V1.6.0可以发现，固件库已分别实现了特权模式与用户模式的切换（CORTEXM_ModePrivilege），和MPU的配置（CORTEXM_MPU）。
0 D& H3 U$ N& k: ]/ N8 G; F
! e1 c1 C$ R4 ]$ T8 ~9 S+ x6 i+ ]8 a
- R/ y9 t$ I1 u; |/ L我们需要将两个例程整合在一起来实现我们的开发目标。注意你选择其他STM32系列也是没有问题的，也支持MPU功能。
7 r( y5 Y/ r$ |& g复制CORTEXM_MPU\Src\stm32_mpu.c 到CORTEXM_ModePrivilege\Src目录下

复制CORTEXM_MPU\Inc\stm32_mpu.h到CORTEXM_ModePrivilege\Inc目录下
) q# q; b6 n8 ]$ u
打开CORTEXM_ModePrivilege工程文件，将stm32_mpu.c和stm32_mpu.h添加到工程文件中。IAR与Keil略有不同，在IAR下只需添加C文件。
  a0 w; C0 N( S8 ~- `& Z3 P
# k+ H5 L' L( Y3 U$ x
4. 修改与增加代码
9 c. a: M8 U# H2 p) ~新增加的代码以红色表示
●在主程序中包含stm32_mpu.h

●在主程序里调用MPU配置函数
要对使用的内存进行MPU配置，未被MPU配置的资源将视之为不可访问。这是MPU_Config必须被使用的原因。
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7 [8 B8 [: z% S3 l& t. c●修改MPU_AccessPermConfig将数组区域配置成我们设计的权限并增加测试代码。
MPU_AccessPermConfig在特权模式下运行，故测试代码不会触发异常。
' {7 P- j5 s9 \. j$ \
6 z& u. n$ D& n5 B  }
●在用户模式下尝试读写数组
2 V. c  B& \- @3 r+ n8 W参考代码中直接访问数组，很容易被编译器优化掉而不能发挥测试作用。这里加了个判断后写的操作，使编译器不去优化它。

! X. K5 @1 ?  j% F! y; j! K
5 e% v/ q2 D5 u至此，可以编译成功运行来体会特权模式与用户模式的MPU的不同配置。执行到主程序中新加的数组访问代码，会产生内存管理异常。

, n* P- U- K2 n9 U# {9 w+ o% ?
5. 关键代码分析
●从特权模式进入用户模式。直接设置CONTROL寄存器。
* e* b1 k* g& V/ [3 A: I
9 H9 ~8 M8 r9 V1 U1 S) Q ●从用户模式回到特权模式，需要触发异常处理
( P1 l- @7 a/ s' S* U
●在异常处理中将线程回到特权模式执行

●若用户模式下代码试图访问无权限数据将产生内存管理异常，从而进入下述函数。

( K1 i% _# F. E6 J, |6 U" G0 {
结论
本文档介绍了MPU的特权与用户模式，并整合与修改已有代码进行了应用。在实际中可将MPU与Cortex运行模式结合，可使应用更加健壮与安全。
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帮顶

好~~~~~

实战技术很有用。

谢谢分享！

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