CortexM3內(nèi)核的μC/OSII安全性與穩(wěn)定性的研究

摘要: 根據(jù)CortexM3內(nèi)核的特點，對μC/OSII操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。利用CortexM3內(nèi)核上選配的MPU（Memory ProtectiON Unit，存儲器保護(hù)單元)，對μC/OSII操作系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與優(yōu)化。經(jīng)測試，系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到很大的提高。

引言

μC/OSII是基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)中的所有任務(wù)都有一個唯一的優(yōu)先級別，它適合應(yīng)用在實時性要求較強的場合；但是它不區(qū)分用戶空間和系統(tǒng)空間，使系統(tǒng)的安全性變差。而移植到CortexM3內(nèi)核上的μC/OSII系統(tǒng)一般是運行在特權(quán)級下，以至于應(yīng)用程序也可以訪問操作系統(tǒng)的變量和常量，這樣使得系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性變得更差。

1  開發(fā)壞境

采用IAR5.30作為開發(fā)環(huán)境，移植μC/OSII2.86到CortexM3內(nèi)核，選用配置了MPU（Memory Protection Unit，存儲器保護(hù)單元)的LPC1786處理器作為硬件實驗平臺，對操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

2  CortexM3內(nèi)核簡介

在CortexM3內(nèi)核*有兩個堆棧指針：主堆棧指針（MSP），是系統(tǒng)上電后缺省的堆棧指針，它由OS內(nèi)核、異常服務(wù)例程以及所有需要特權(quán)訪問的應(yīng)用程序代碼來使用；進(jìn)程堆棧指針（PSP），用于常規(guī)的應(yīng)用程序代碼（不處于異常服務(wù)例程中時）。

CortexM3處理器支持線程模式和處理模式兩種工作模式，有特權(quán)級與用戶級兩個訪問等級。異常處理總是工作在處理模式，只可使用主堆棧指針。處理模式總是在特權(quán)級下運行，而線程模式可在特權(quán)和用戶級下運行。系統(tǒng)復(fù)位時總是處于線程模式的特權(quán)方式下，并且默認(rèn)使用的堆棧指針是MSP。在用戶級下，對特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間（SCS）的大部分寄存器的訪問是禁止的[2]。

經(jīng)實驗驗證，在用戶級下使用MSR、MRS指令訪問特殊功能寄存器（CONTROL等），這些指令被當(dāng)作NOP指令（空指令）執(zhí)行，而對系統(tǒng)控制空間（SCS）寄存器訪問會產(chǎn)生精確的總線訪問異常。

另外，CortexM3內(nèi)核還可以選配MPU（如LPC1700系列、LM3S系列處理器），用于對存儲器進(jìn)行保護(hù)。設(shè)定一塊內(nèi)存的訪問權(quán)限，對系統(tǒng)的安全性有很好的幫助。

3  μC/OSII內(nèi)核簡介

μC/OSII是一個可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。大部分用ANSI C語言編寫，只有一小部分與硬件相關(guān)的代碼用匯編語言編寫。至今，μC/OSII已經(jīng)在40多種不同架構(gòu)的微內(nèi)核處理器上移植成功[4]。μC/OSII 內(nèi)核只提供了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理和任務(wù)間通信等基本功能，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)行系統(tǒng)移植時，只需要修改OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM這3個文件即可。

μC/OSII體系結(jié)構(gòu)

圖1  μC/OSII體系結(jié)構(gòu)

4  μC/OSII操作系統(tǒng)移植的改進(jìn)

μC/OSII*****提供的基于CortexM3內(nèi)核移植的μC/OSII系統(tǒng)一直工作在特權(quán)級下。這樣做的好處是，系統(tǒng)不用頻繁地切換訪問等級，而且開關(guān)中斷很快，利于實時性的實現(xiàn)；但是應(yīng)用程序（用戶任務(wù)）也可以訪問特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間（SCS）寄存器，修改操作系統(tǒng)的變量，這對系統(tǒng)的安全性是一種威脅，如果用戶任務(wù)程序跑飛，那就有可能破壞系統(tǒng)寄存器和變量[5]。

4.1  系統(tǒng)寄存器的設(shè)置

用戶應(yīng)用程序運行在用戶級,使用PSP堆棧指針；操作系統(tǒng)函數(shù)運行在特權(quán)級，使用的也是PSP堆棧指針；而中斷服務(wù)例程運行在處理模式的特權(quán)方式下，使用MSP堆棧指針。

特權(quán)與用戶級分區(qū)

圖2  特權(quán)與用戶級分區(qū)

首先利用MPU把內(nèi)存分為特權(quán)級訪問和用戶級訪問兩個區(qū)，如圖2所示。在系統(tǒng)初始化時，設(shè)置MPU相關(guān)寄存器，為系統(tǒng)分配任務(wù)堆棧與主堆棧：任務(wù)堆棧分配在用戶區(qū)，系統(tǒng)變量與主堆棧分配在特權(quán)區(qū)，只可特權(quán)級下訪問。

4.2  系統(tǒng)函數(shù)的修改

用戶任務(wù)工作在用戶級下，操作系統(tǒng)函數(shù)工作在特權(quán)級下，任務(wù)可能會在執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)時執(zhí)行上下文切換，因此系統(tǒng)要記錄任務(wù)切換時是處在特權(quán)級還是用戶級下，以便任務(wù)再次獲得處理器控制權(quán)時，切換到原先的訪問等級下。在任務(wù)創(chuàng)建時，加入訪問權(quán)限參數(shù)mode。

權(quán)限的值定義為：

#define OS_Mode_USER 1u //用戶級

#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特權(quán)級

在創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)與堆棧初始函數(shù)的參數(shù)中加入訪問權(quán)限參數(shù)，形式如下：

INT8U OSTaskCreateExt (……,INT8U mode );

OS_STK *OSTaskStkInit (……,INT8U mode);

在堆棧初始化時，把mode最后存到堆棧當(dāng)中，以便任務(wù)第一次運行時進(jìn)入相應(yīng)的工作模式（特權(quán)級或用戶級）。統(tǒng)計任務(wù)和空閑任務(wù)的mode是OS_Mode_PRIVILEGE，而用戶任務(wù)為OS_Mode_USER。

4.3  OS_CPU_A.ASM文件中函數(shù)的修改

在OS_CPU_A.ASM文件中，只需修改函數(shù)PendSV_Handler（PendSV服務(wù)例程），任務(wù)切換是由它來完成的。同時，設(shè)置PendSV的優(yōu)先級為最低，以便快速響應(yīng)中斷，提高系統(tǒng)的實時性。PendSV服務(wù)例程的流程如圖3所示。

PendSV服務(wù)例程流程

圖3  PendSV服務(wù)例程流程

任務(wù)切換上文的程序：

SUBS R0,R0,#0x24;調(diào)整PSP指針，mode、R4~R11共36字節(jié)

MRS R1,CONTROL;獲取當(dāng)前任務(wù)的訪問等級mode

STM R0,{R1,R4R11};壓棧mode，R4~R11

LDR R1,=OSTCBCur;獲取OSTCBCur?﹥OSTCBStkPtr

LDR R1,[R1]

STR R0,[R1];存儲PSP值到任務(wù)控制塊切換下文的程序：

……;OSPrioCur=OSPrioHighRdy;

……;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;

……;得到新任務(wù)的PSP值，存儲到R0中

LDM R0,{R1,R4R11};R1(mode),R4~R11出棧

MSR CONTROL,R1;修改CONTROL[0]

ORR LR,LR,#0x04;選擇返回時使用的堆棧

ADDS R0,R0,#0x24;調(diào)整PSP值

MSR PSP,R0;R0存入PSP中

4.4  系統(tǒng)函數(shù)的使用

系統(tǒng)函數(shù)都是在特權(quán)級下執(zhí)行的，在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)前應(yīng)該切換到特權(quán)級，系統(tǒng)函數(shù)執(zhí)行完畢后再切換后用戶級。調(diào)用形式如下：

ToPrivilege ();

OSFunction(Parameter1, Parameter2……)；//系統(tǒng)函數(shù)

ToUser ();

在特權(quán)級下可以通過置位CONTROL[0]來進(jìn)入用戶級。用戶級下是不能通過修改CONTROL[0]來回到特權(quán)級的，必須通過一個異常 handler來修改CONTROL[0]，才能在返回到線程模式后取得特權(quán)級。因此，從用戶級到特權(quán)級的方法就是產(chǎn)生一個異常，再在異常例程中修改 CONTROL[0]。通常的方法是使用軟中斷SVC。

切換到特權(quán)級的代碼如下：

ToPrivilege;函數(shù)ToPrivilege ()

SVC 0

BX LR

SVC_Handler;SVC服務(wù)例程

MRS R1,CONTROL

AND R1,R1,#0xFE

MSR CONTROL,R1;回到特權(quán)級

BX LR

而從特權(quán)到用戶級就簡單了，只要執(zhí)行切換程序就可以了，不用產(chǎn)生異常。切換到用戶級的代碼為：

ToUser;函數(shù)ToPrivilege ()

MRS R0,CONTROL

ORR R0,R0,#0x01;切換到用戶級

MSR CONTROL,R0

BX LR

4.5  其他改進(jìn)方法

任務(wù)在用戶級+PSP下運行，而操作系統(tǒng)函數(shù)運行在特權(quán)級+MPS運行，中斷服務(wù)例程有硬件設(shè)定在處理模式+特權(quán)級+MSP，這樣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性會更高。但是每個任務(wù)需要兩個堆棧PSP、MSP。這樣無疑增加了內(nèi)存的使用（將近增加一倍），由于嵌入式芯片的片內(nèi)RAM比較小，增加內(nèi)存必然會增加成本，并且要對任務(wù)控制塊做相應(yīng)的修改，存儲兩個堆棧。任務(wù)創(chuàng)建時對這兩個堆棧都要初始化，任務(wù)切換時判斷切換的堆棧與訪問權(quán)限，這些都增加了系統(tǒng)的開銷。

結(jié)語

在以CortexM3為內(nèi)核的LPC1786處理器上，對修改后的操作系統(tǒng)進(jìn)行簡單的測試。創(chuàng)建4個任務(wù)，每個任務(wù)只是簡單地控制一個LED燈的開關(guān)。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行10個小時以上沒出現(xiàn)任何問題，可見系統(tǒng)移植成功。利用CortexM3內(nèi)核選配的MPU，對μC/OSII操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，只是增加了很小的系統(tǒng)開銷，卻使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。該方法可應(yīng)用于對系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性要求比較高的場合。