带内存保护的FreeRTOS在TMS570上的移植※

2015-07-03胡丽辉张建泉李楠席隆

单片机与嵌入式系统应用 2015年2期

胡丽辉，张建泉，李楠，席隆

（1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094；2.中国科学院大学）

引言

本文以不带内存保护的嵌入式实时操作系统FreeRTOS为研究对象，在TMS570处理器平台上移植了带内存保护功能的操作系统FreeRTOS-MPU，不仅可以保护RTOS内核代码不被任务破坏并防止内核数据崩溃，也可以保护系统外设不被任务无意地修改，确保检测出任务堆栈溢出[2]，从而提高系统的可靠性。

1 FreeRTOS-MPU简介

1.1 FreeRTOS简介

FreeRTOS操作系统是一个开源、轻型、简单、可移植、可裁减的免费实时操作系统，能够很好地移植到各种体系结构的微型处理器[3]。FreeRTOS仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能[4]，不提供输入/输出管理、文件系统、网络等额外的服务，用户可根据需要自行实现。

1.2 MPU概览

MPU（Memory Protection Unit，内存保护单元）是Cortex-R4F内核的一个组件，可以用来捕获非法或者危险的内存访问。通过MPU可以设置保护区域的属性和访问权限，当处理器访问内存的一个区域时，MPU比较该区域的访问权限和当时的处理器模式。如果请求符合区域访问标准，则MPU允许内核读/写主存；否则，MPU产生一个异常信号。

MPU在执行其功能时，是以region为单位的。一个region其实就是一段连续的地址，只是它们的位置和范围都要满足一些限制（对齐方式，最小容量等）。Cortex-R4的MPU共支持8个regions，还允许把每个region进一步划分成更小的子region。此外，还允许启用一个背景region（即没有MPU时的全部地址空间），不过它只能由特权级享用。在启用MPU后，就不得再访问定义之外的地址区间，也不得访问未经授权的region。否则，将以“访问违例”处理，触发MPU错误。MPU定义的regions可以相互交迭。如果某块内存落在多个region中，则访问属性和权限将由编号最大的region来决定[5]。

MPU可以通过下列方法提高系统的可靠性[6]：

◆阻止应用程序破坏操作系统使用的代码和数据；

◆阻止一个任务访问其他任务的数据区，从而把任务隔开；

◆可以把关键数据区设置为只读，从根本上消除了被破坏的可能；

◆检测意外的存储访问，如堆栈溢出、数组越界等。

1.3 FreeRTOS-MPU简介

FreeRTOS-MPU操作系统是在FreeRTOS操作系统的基础上加入内存保护模块而来的，其特点如下[2]：

①可以创建任务运行在特权模式下或者用户模式下，用户模式下的任务只能访问它们自己的堆栈和最多3个用户自定义的内存区域，在任务被创建时用户自定义的内存区域被指定给任务，但是在运行时可以重新配置；

②用户模式下的任务不能共享数据存储，但是用户模式下的任务可以使用标准队列和信号量机制来传递信息；

③特权模式下的任务可以自己进入用户模式，但是一旦进入用户模式，它就不能再回到特权模式；

④位于Flash区域的FreeRTOS API只有在进入特权模式下才能访问；

⑤位于RAM区域的RTOS内核维护的数据只有在进入特权模式下才能访问；

⑥系统外设只有在处理器进入特权模式下才能访问，标准外设可以被任何代码访问，也可通过一个用户自定义的内存区域来显式地保护。

与没有内存保护模块的标准FreeRTOS操作系统相比，FreeRTOS-MPU可以用来保护RTOS内核代码不被任务破坏并防止内核数据崩溃，也可以保护系统外设不被任务无意地修改，确保检测出任务堆栈溢出，从而提高了软件的可靠性。当然，不足之处是引入内存保护模块后，操作系统运行需要的RAM、ROM资源会增加，上下文切换时还需要进行MPU相关的设置，因此任务切换时间增加。

2 TMS570硬件架构简介

TMS570LS系列是TI公司推出的基于ARM Cortex-R4F处理器的锁步双内核微处理器。本系统使用的TMS570LS20216最高运行频率达到160 MHz，配置2 MB带ECC的内置Flash和160 KB带ECC的RAM，带有TI核心安全策略，其可提供双核锁步CPU架构、硬件PBIST、MPU和片上时钟及电压监控等一些关键功能的安全特性来满足汽车电子、铁路和航天应用的需求[7]。

3 FreeRTOS-MPU操作系统的移植过程

本移植针对TMS570LS系列芯片，使用的编译软件是Code Composer Studio v5.3.0，操作系统版本是 V7.4.0，由于FreeRTOS官方提供的demo中没有在TMS570上实现MPU功能，因此本文移植主要参考的是针对ARM Cortex-M3实现的FreeRTOS-MPU，移植的主要内容集中在3个文件：portmacro.h，port.c，portasm.asm。

其中，portmacro.h文件主要是关于编译器相关的数据类型的定义、CPU架构相关的定义、临界区管理函数的宏定义和函数声明等。port.c文件中包含了与移植有关的C函数，包括堆栈初始化函数、任务调度器启动函数、设置默认MPU函数等。portasm.asm文件主要实现内核任务切换处理，包括上下文保存和恢复、启动第一个任务等。以下主要针对关键模块的移植实现做详细的分析与说明。

3.1 堆栈初始化

堆栈的初始化是嵌入式操作系统移植的关键，是针对硬件结构以及堆栈保存特点进行的设置。堆栈初始化函数主要作用是初始化任务的堆栈结构，定义堆栈的上下文内容，将所有的寄存器值保存到堆栈中，使其看起来像刚刚发生过中断一样。堆栈保存格式如图1所示。

图1 任务堆栈结构

在堆栈的结构中，第一个入栈的是任务函数的起始地址，SP保存的是任务堆栈栈顶，然后预留一定空间给寄存器R12～R1，R0则保存传递给任务的参数，最后设置CPSR和ul UsingFPU标志位。

3.2 任务调度器的启动

在创建任务之后将进行任务调度，首先配置MPU，然后设置并启动系统的时钟节拍，初始化临界区嵌套次数为0，最后启动优先级最高的就绪任务。具体程序如下：

3.3 设置默认的MPU

FreeRTOS-MPU操作系统在任务调度器启动时默认配置了5个区域，配置的流程图如图2所示，配置完成后内存区域分布如表1所列。

图2 MPU默认配置流程图

3.4 初始化TCB中xMPUSettings成员

在任务创建时，x Task CreateRestricted（）会调用vPortStore Task MPUSettings（）对 TCB的结构体成员x MPU＿SETTINGS x MPUSettings进行初始化，初始化的结果根据创建任务时提供的参数不同而不同。如果创建任务时定义了区域，那么此函数的作用是初始化如下3个区域：区域4是任务堆栈区、5和6是用户自定义区域。这3个区域只能被当前任务访问，见表2。

表1 默认配置的MPU区域

表2 任务堆栈和用户自定义区域

如果创建任务时没有定义区域，那么任务的MPU配置见表3，区域4是整个RAM区，区域5是用户堆栈区，区域6无效。

表3 无自定义区时MPU配置

3.5 保存任务上下文

此上下文的保存是按照进入ISR中断来编写的，入栈顺序是返回地址、用户模式下的LR、R13-R0、SPSR，然后根据ulFPUContextConst的值确定任务是否维护FPU上下文。由于在初始化堆栈时默认不使用FPU，所以无需保存FPU上下文，最后把新的任务栈顶赋值给任务TCB结构体的第一个成员。保存任务上下文核心代码如下：