ARM Cortex-M安全之MPU介绍

ARM Cortex-M处理器系列中的存储保护单元（Memory Protection Unit，简称MPU）是一种硬件机制，可用于在嵌入式系统中实现存储保护和访问权限控制。MPU允许开发人员对不同的内存区域分配不同的权限，从而提供对系统代码和数据的保护。

MPU的主要功能包括以下几个方面：

1. 区域划分

MPU可以将整个内存划分为多个区域，并为每个区域分配不同的权限。每个区域由开始地址、结束地址和一组权限控制位定义。这样，开发人员可以将敏感的代码和数据放置在一个受保护的区域中，并为其分配只读、只执行或完全禁止访问等权限。

1. 存储保护

MPU可以保护存储区域免受未授权访问。例如，可以将只读存储器区域设置为不可写，这样可以防止对代码的篡改。同样，可以将数据存储区域设置为只读或只写，以防止对敏感数据的修改。

1. 访问权限控制

MPU允许开发人员根据需求为每个区域定义不同的访问权限。这些权限包括读、写和执行。通过严格控制对内存的访问，MPU可以减轻系统受到缓冲区溢出、代码注入等攻击的风险。

1. 异常处理

当发生未授权的内存访问或权限违规时，MPU可以触发异常。通过定义和处理这些异常，开发人员可以在系统运行时及时检测和处理安全问题。

需要注意的是，MPU的功能和具体实现可能会因Cortex-M处理器系列的型号而有所差异。不同型号的Cortex-M处理器可能具有不同的MPU配置选项，例如区域数量、最大区域大小和权限掩码位数等。因此，具体使用MPU的方法和配置要根据所使用的Cortex-M处理器来确定。

下面是一个简单的Cortex-M的MPU区域配置的案例：

 #include <stdint.h>

#define MPU_REGION_ENABLE     (1 << 0)
 #define MPU_REGION_PRIV_RW    (0 << 24)
 #define MPU_REGION_PRIV_RO    (1 << 24)
 #define MPU_REGION_NO_ACCESS  (3 << 24)

void configure_mpu(void) {
     // 起始地址为0x00000000，结束地址为0x00007FFF，权限为读写
     MPU->RBAR = (0x00000000 & MPU_RBAR_ADDR_Msk) | MPU_REGION_ENABLE | MPU_REGION_PRIV_RW;
     MPU->RASR = (0x00007FFF & MPU_RASR_SIZE_Msk) | MPU_RASR_ENABLE_Msk | MPU_RASR_S_Msk;

    // 起始地址为0x20000000，结束地址为0x20001FFF，权限为只读
     MPU->RBAR = (0x20000000 & MPU_RBAR_ADDR_Msk) | MPU_REGION_ENABLE | MPU_REGION_PRIV_RO;
     MPU->RASR = (0x20001FFF & MPU_RASR_SIZE_Msk) | MPU_RASR_ENABLE_Msk | MPU_RASR_S_Msk;

    // 默认配置，权限为不可访问
     MPU->RBAR = (0x00000000 & MPU_RBAR_ADDR_Msk);
     MPU->RASR = MPU_REGION_NO_ACCESS | MPU_RASR_ENABLE_Msk | MPU_RASR_S_Msk;

    // 启用MPU
     SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
     __DSB();
     __ISB();
 }

上述示例中，首先通过设置RBAR（Region Base Address Register）和RASR（Region Attribute and Size Register）来配置MPU的两个区域。其中第一个区域从0x00000000到0x00007FFF，权限被设置为读写，第二个区域从0x20000000到0x20001FFF，权限被设置为只读。最后一个默认配置则将未分配区域的权限设置为不可访问。

最后，在配置完MPU之后，通过设置SCB的MEMFAULTENA位来启用MPU保护。然后使用数据同步屏障和指令同步屏障指令以确保配置立即生效。