這是四部分系列文章的第四部分，介紹了獨特的產(chǎn)品 MPU?Plus? 和使用 Cortex-M 內(nèi)存保護單元 （MPU） 來提高微控制器單元 （MCU） 安全性的方法。第 3 部分介紹了分區(qū)問題，包括堆使用、函數(shù)調(diào)用 API、中斷、父子任務和任務本地存儲。 第 2 部分 介紹了分區(qū)、安全啟動、MPU 控制和系統(tǒng)調(diào)用。 第 1 部分介紹了一些介紹性概念：MMU 與 MPU、對安全性、保護目標、MPU-Plus 快照、Cortex-v7M 和 v8M 以及 MPU 操作的日益增長的需求。

動態(tài)區(qū)域

如前所述，創(chuàng)建靜態(tài)區(qū)域是一個耗時、乏味且容易出錯的過程。下面討論的動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域有助于減輕部分負擔。

動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域

以下函數(shù)允許在初始化期間或從 ptask 動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)區(qū)域：

u8* mp_RegionGetHeapR（rp， sz， sn， attr， name， u32 hn）;

u8* mp_RegionGetPoolR（rp， pool， sn， attr， name）;

BOOLEAN mp_RegionMakeR（rp， bp， sz， sn， attr， name）;

其中 rp 是指向創(chuàng)建區(qū)域的指針，sz 是區(qū)域大小，sn 是槽號，attr 是屬性，name 是區(qū)域的可選名稱，hn 是堆號，pool 是塊池句柄，并且bp 是一個塊指針。以上可用于分別從堆、塊池或靜態(tài)塊（例如 stat_blk［100］）創(chuàng)建數(shù)據(jù)區(qū)域。

通常 rp 指向動態(tài)保護區(qū)域數(shù)組 dpr［n］ 中的一個條目。然后，動態(tài)區(qū)域的 MPA 模板槽設置如下：

mpa_tmplt_t2a［sn］ = MP_DYN_RGN（dpr［n］）;

其中 MP_DYN_RGN（） 加載 dpr［n］ 的地址并在模板槽中設置動態(tài)區(qū)域標志。

這些函數(shù)通常應在任務開始運行之前的系統(tǒng)初始化期間調(diào)用。但是，它們也可以被 ptasks 調(diào)用，它們正在創(chuàng)建和初始化其他任務。

動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域可用于存儲靜態(tài)數(shù)組和結(jié)構(gòu)的混合，它們可以在任務之間共享。盡管它們不能用于全局變量，但它們確實節(jié)省了在代碼中定義部分、在鏈接器命令文件中定義塊以及在模板中定義靜態(tài)區(qū)域的復雜性。因此，它們更簡單，使用起來更不容易出錯。鑒于 sz 可能是 sizeof（） 的總和，它們在開發(fā)過程中也可能更加靈活。

受保護的數(shù)據(jù)塊

以下受保護的塊函數(shù)允許從 utasks 或 ptasks創(chuàng)建受保護的數(shù)據(jù)塊，并在運行時釋放它們：

u8* smx_PBlockGetHeap（sz， sn， attr， name， hn）;

u8* smx_PBlockGetPool（pool， sn， attr， name）;

BOOLEAN smx_PBlockMake（bp， sz， sn， attr， name）;

BOOLEAN smx_PBlockRelHeap（bp， sn， hn）;

BOOLEAN smx_PBlockRelPool（bp， sn， pool， clrsz）;

其中參數(shù)與動態(tài)區(qū)域的參數(shù)相同，除了釋放函數(shù)，bp 是其中一個 Get 函數(shù)返回的塊指針，clrsz 指定在第一個字的空閑塊鏈接之后要清除多少字節(jié)堵塞?；旧?，塊是從堆或池中獲得的，或者是由靜態(tài)塊制成的。為其創(chuàng)建一個區(qū)域并將其加載到當前任務的 MPU［sn］ 和 MPA［sn］ 中。堆可以是任何堆，包括主堆。這是安全的，因為如果黑客侵入任務，MPU 會阻止他訪問受保護塊之外的堆內(nèi)存。

動態(tài)分配的塊可用于緩沖區(qū)、工作區(qū)、消息（見下文）或結(jié)構(gòu)。如果一個任務被寫成它的所有靜態(tài)變量都在一個結(jié)構(gòu)中，例如：

u8* 副總裁；

vp-》var1 = vp-》var2 + vp-》var3；

然后可以使用動態(tài)塊來存儲其靜態(tài)變量。上面的 vp 是 BlockGet（） 函數(shù)返回的塊指針。（注意 vp 是一個自動變量，因此存儲在任務堆棧中，而不是結(jié)構(gòu)中）。如果一個函數(shù)不是這樣寫的，轉(zhuǎn)換它并不困難——只需在每個靜態(tài)變量引用前插入“vp-》”，定義一個VP結(jié)構(gòu)，變量名作為字段，定義vp作為指向副總裁。

受保護數(shù)據(jù)塊和動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域的區(qū)別在于，受保護數(shù)據(jù)塊可以在任務運行時被任務獲取，而動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域是在初始化過程中創(chuàng)建的，并且指向它的指針被加載到任務的模板中。 受保護數(shù)據(jù)塊對于 utasks 創(chuàng)建臨時緩沖區(qū)和受保護消息特別有用，如下所述。

使用動態(tài)區(qū)域

使用動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域、受保護數(shù)據(jù)塊或 TLS 來替換 task_data 靜態(tài)區(qū)域需要將所有任務全局變量重新定義為一個或多個結(jié)構(gòu)中的字段。如果結(jié)構(gòu)名稱很短，這不會明顯使代碼復雜化。例如，這里有一些來自 eheap 的代碼：

hvp［hn］-》errno = EH_OK;

bsmap = hvp［hn］-》bsmap;

csbin = hvp［hn］-》csbin;

為了支持多個堆，有必要將離散的全局變量更改為結(jié)構(gòu)數(shù)組 hvp［hn］。在這種情況下，hvp［hn］-》 被粘貼到代碼中每個全局變量名的開頭。Cortex-M 架構(gòu)允許訪問結(jié)構(gòu)的速度與離散全局變量一樣快或更快——函數(shù)中的一條 LDM 指令加載結(jié)構(gòu)基地址，然后通過恒定偏移量訪問字段。編譯器可能無法對函數(shù)使用的所有離散全局變量執(zhí)行此操作，因此訪問它們可能會更慢。使用結(jié)構(gòu)還允許將一起使用的字段分組在一起，如果處理器具有指令緩存，則可以提高性能。通過使用 sizeof（） 確定指針偏移量，可以自動處理多個結(jié)構(gòu)和數(shù)組。

受保護的消息

smx 消息由鏈接到數(shù)據(jù)塊的消息控制塊 （MCB） 組成。smx_MsgMake（） 函數(shù)可用于將受保護的數(shù)據(jù)塊變成受保護的消息，并且當前任務成為消息所有者。消息被發(fā)送到消息交換并從消息交換接收。在消息交換中，消息的 MCB 與交換的控制塊鏈接到等待消息的隊列中。

圖 11 說明了在任務之間傳輸受保護的消息。TaskA 顯示為綠色，TaskB 顯示為藍色。黃色代表 pcode 和 pdata，它們受任一任務的保護。如圖所示，TaskA 在 slot sn 中獲取一個 pdata 塊，將其制成消息，加載它，然后將其發(fā)送到 Xchg。作為發(fā)送操作的一部分，MPU 和 TaskA 的 MPA 中的 slot sn 被清除。請注意，其他消息正在 Xchg 處等待，并且 MCBi 位于消息隊列的頂部。TaskB 在插槽 sx 中接收它。請注意，rbar 和 rasr 是從 MCBi 獲得的，用于在插槽 sx 中為消息的 pdata 塊創(chuàng)建區(qū)域。TaskB 驗證消息，該消息依賴于應用程序，可能包括對數(shù)據(jù)進行范圍和一致性檢查。然后它處理 pdata，取消消息，

smx 中添加了兩個受保護的消息函數(shù)：

MCB_PTR smx_PMsgReceive（xp， bpp， sn， timeout）;

BOOLEAN smx_PMsgSend（mp， xp， sn， pri， rp）;

其中 xp 是交換指針，bpp 是指向消息塊指針的指針，sn 是 MPU/MPA 槽號，timeout 以刻度為單位，mp 是消息指針，pri 是消息優(yōu)先級，rp 是回復指針（例如到交易所發(fā)送回復消息。）

如圖 11 所示，當一個受保護的消息被發(fā)送時，它在 MPU 和當前任務的 MPA 中的 slot sn 被清除。因此，即使發(fā)送任務保留了指向消息塊的指針（例如 bpp），它也無法訪問消息塊。這阻止了在另一個分區(qū)中的接收任務驗證消息后更改消息的黑客技術。在消息被另一個分區(qū)中的接收任務更新后，它還會阻止讀取消息。

在交換器中，消息塊區(qū)域信息存儲在消息的 MCB 中，交換器是消息的所有者。當消息被接收任務接收時，其消息塊區(qū)域信息被加載到 MPU 和接收者 MPA 的指定槽 sx 中，接收任務成為消息所有者。（sx 不必與發(fā)送任務使用的插槽相同。）

現(xiàn)在，接收任務可以讀取和修改消息，并可能將其發(fā)送到另一個交換器。因此，可以創(chuàng)建一條消息，加載數(shù)據(jù)，傳遞給一個任務以檢查數(shù)據(jù)并對其進行加密，然后傳遞給第三個任務以通過網(wǎng)絡發(fā)送它。請注意，發(fā)送任務和接收任務之間是完全隔離的。當然，發(fā)件人可以發(fā)送某種破壞性消息。因此，接收者必須在接受消息之前執(zhí)行驗證。這種安全級別是特定于應用程序的。

分區(qū)門戶

正如第 3 部分中所討論的，分區(qū)門戶可以將客戶端分區(qū)與服務器分區(qū)隔離開來，并且是實現(xiàn) 100% 分區(qū)隔離所必需的，這對于實現(xiàn)強大的安全性至關重要。它們建立在上述受 smx 保護的消息之上。受保護的消息滿足 Arm PSA Secure IPC 要求（參見第 1 部分中的參考資料 3），無需進行消息復制。因此，與普通函數(shù)調(diào)用 API 相比，引入門戶可能不會顯著降低性能。

如圖 12 所示，分區(qū)門戶由交易所組成，標記為 XI 和 XO — 每個方向一個。添加到客戶端分區(qū)的代碼（由虛線右側(cè)的區(qū)域表示）將函數(shù)調(diào)用及其參數(shù)轉(zhuǎn)換為發(fā)送到 XI 交換的消息。然后，客戶端任務在 XO 交換處等待回復消息。

在添加到服務器端的代碼中的服務器任務（由虛線左側(cè)的區(qū)域表示）正在 XI 交換處等待消息。當它收到一條消息時，它會使用消息中的參數(shù)將其轉(zhuǎn)換為函數(shù)調(diào)用。然后它將來自函數(shù)調(diào)用的返回信息放入它發(fā)送到 XO 交換器的消息中?？蛻舳巳蝿諒?XO 交換接收消息，并將信息返回給客戶端分區(qū)中的調(diào)用者。

顯然，將分區(qū)之間的函數(shù)調(diào)用接口轉(zhuǎn)換為分區(qū)門戶需要做很多工作。但是，結(jié)果是強大的分區(qū)隔離。當然，這會降低性能。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在消息中傳遞。如果正在修改現(xiàn)有代碼，則可能需要將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復制到消息，反之亦然。如果正在創(chuàng)建新代碼，則可以將其設計為在無復制模式下處理消息。在后一種情況下，性能影響可能很小。

請注意，大型基于 MMU 的系統(tǒng)中也存在數(shù)據(jù)復制問題。事實上，在這種情況下，由于虛擬地址空間，不存在無復制解決方案。因此，在基于 MPU 的系統(tǒng)中通過門戶進行的分區(qū)間通信可??能比基于 MMU 的系統(tǒng)中的進程間通信更有效。這有利于較小的分區(qū)，每個分區(qū)做的工作較少，因此系統(tǒng)安全性可能更好。擁有更小的分區(qū)也使冗余路徑更加實用——例如，兩條獨立的路徑可以將可疑活動報告回總部。

調(diào)試支持

啟用安全功能后，調(diào)試代碼更具挑戰(zhàn)性。出于這個原因，SecureSMX 允許在早期代碼開發(fā)和調(diào)試期間覆蓋大多數(shù)安全功能，以幫助加快這些階段?？梢栽诤笃谡{(diào)試期間重新啟用安全功能，通過檢測堆棧和緩沖區(qū)溢出以及其他問題，它們實際上變得有用。此外，建議在發(fā)展過頭之前開始解決安全問題。

smxAware? 包括許多與安全相關的功能，可幫助調(diào)試基于 MPU-Plus 的軟件。它顯示當前 MPU 和所有任務 MPA，以及命名區(qū)域。圖形內(nèi)存映射概覽顯示內(nèi)存條中的 MPU 區(qū)域。顯示了開始和結(jié)束地址以及排除的子區(qū)域。在所有顯示中，都會標記對齊和重疊等錯誤。有關更多信息，請參閱：

smxAware 用戶指南， Marty Cochran 和 David Moore，Micro Digital Inc.

結(jié)論

軟件工程已經(jīng)失去了天真——我們現(xiàn)在正在為一個充滿敵意的世界進行設計。實現(xiàn)完美的安全性是不可能的，但它可以是相當不錯的。毫無疑問，即使是你能設計的最好的安全措施，一個堅定的黑客也會發(fā)現(xiàn)一些弱點。因此，有必要分析所有代碼與可能的威脅。

在某些情況下，一段代碼可能設計和實現(xiàn)都很糟糕，因此很容易受到攻擊，以至于重新編寫它是一個絕望的提議。在這種情況下，使用本文中描述的方法將代碼保持原樣并將其放入完全隔離的 umode 分區(qū)中可能更具成本效益。然后有必要設計一種策略來處理不可避免的闖入并實施必要的代碼來處理它。在此過程中，可能會發(fā)現(xiàn)一些潛在的錯誤。

如果升級遺留代碼以提高現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性，或者如果使用遺留代碼開發(fā)新產(chǎn)品，主要工作通常是重組遺留代碼。所需的重新編碼量可能很小，這取決于代碼的結(jié)構(gòu)如何。當然，新代碼的結(jié)構(gòu)應該從一開始就保證安全。

安全性為產(chǎn)品開發(fā)增加了另一個維度。不僅要考慮如何實現(xiàn)功能，還要考慮黑客如何訪問該功能以造成損害或竊取私人數(shù)據(jù)。MMF 在調(diào)試過程中很煩人，但它們證明了硬件安全機制確實有效！MPU-Plus 的目標是提供一條既能實現(xiàn)良好安全性又不會過度痛苦的路徑。

審核編輯：郭婷