Cortex-M3內核的μC/OSII性能研究

引言

μC/OSII是基于優(yōu)先級的可剝奪型內核，系統中的所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級別，它適合應用在實(shí)時(shí)性要求較強的場(chǎng)合;但是它不區分用戶(hù)空間和系統空間，使系統的安全性變差。而移植到CortexM3內核上的μC/OSII系統一般是運行在特權級下，以至于應用程序也可以訪(fǎng)問(wèn)操作系統的變量和常量，這樣使得系統的安全性與穩定性變得更差。

根據CortexM3內核的特點(diǎn)，對μC/OSII操作系統的安全性和穩定性進(jìn)行研究。利用CortexM3內核上選配的MPU(Memory ProtectiON Unit，存儲器保護單元)，對μC/OSII操作系統做適當的改進(jìn)與優(yōu)化。經(jīng)測試，系統的安全性與穩定性得到很大的提高。

1 開(kāi)發(fā)壞境

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

2 CortexM3內核簡(jiǎn)介

在CortexM3內核*有兩個(gè)堆棧指針：主堆棧指針(MSP)，是系統上電后缺省的堆棧指針，它由OS內核、異常服務(wù)例程以及所有需要特權訪(fǎng)問(wèn)的應用程序代碼來(lái)使用;進(jìn)程堆棧指針(PSP)，用于常規的應用程序代碼(不處于異常服務(wù)例程中時(shí))。

CortexM3處理器支持線(xiàn)程模式和處理模式兩種工作模式，有特權級與用戶(hù)級兩個(gè)訪(fǎng)問(wèn)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級下運行，而線(xiàn)程模式可在特權和用戶(hù)級下運行。系統復位時(shí)總是處于線(xiàn)程模式的特權方式下，并且默認使用的堆棧指針是MSP。在用戶(hù)級下，對特殊功能寄存器和系統控制空間(SCS)的大部分寄存器的訪(fǎng)問(wèn)是禁止的[2]。

經(jīng)實(shí)驗驗證，在用戶(hù)級下使用MSR、MRS指令訪(fǎng)問(wèn)特殊功能寄存器(CONTROL等)，這些指令被當作NOP指令(空指令)執行，而對系統控制空間(SCS)寄存器訪(fǎng)問(wèn)會(huì )產(chǎn)生精確的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)異常。

另外，CortexM3內核還可以選配MPU(如LPC1700系列、LM3S系列處理器)，用于對存儲器進(jìn)行保護。設定一塊內存的訪(fǎng)問(wèn)權限，對系統的安全性有很好的幫助。

3 μC/OSII內核簡(jiǎn)介

μC/OSII是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核。大部分用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)，只有一小部分與硬件相關(guān)的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。至今，μC/OSII已經(jīng)在40多種不同架構的微內核處理器上移植成功[4]。μC/OSII內核只提供了任務(wù)調度、任務(wù)管理、時(shí)間管理和任務(wù)間通信等基本功能，體系結構如圖1所示。進(jìn)行系統移植時(shí)，只需要修改OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM這3個(gè)文件即可。

圖1 μC/OSII體系結構

4 μC/OSII操作系統移植的改進(jìn)

μC/OSII*****提供的基于CortexM3內核移植的μC/OSII系統一直工作在特權級下。這樣做的好處是，系統不用頻繁地切換訪(fǎng)問(wèn)等級，而且開(kāi)關(guān)中斷很快，利于實(shí)時(shí)性的實(shí)現;但是應用程序(用戶(hù)任務(wù))也可以訪(fǎng)問(wèn)特殊功能寄存器和系統控制空間(SCS)寄存器，修改操作系統的變量，這對系統的安全性是一種威脅，如果用戶(hù)任務(wù)程序跑飛，那就有可能破壞系統寄存器和變量[5]。

4.1 系統寄存器的設置

用戶(hù)應用程序運行在用戶(hù)級,使用PSP堆棧指針;操作系統函數運行在特權級，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方式下，使用MSP堆棧指針。

圖2 特權與用戶(hù)級分區

首先利用MPU把內存分為特權級訪(fǎng)問(wèn)和用戶(hù)級訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)區，如圖2所示。在系統初始化時(shí)，設置MPU相關(guān)寄存器，為系統分配任務(wù)堆棧與主堆棧：任務(wù)堆棧分配在用戶(hù)區，系統變量與主堆棧分配在特權區，只可特權級下訪(fǎng)問(wèn)。

4.2 系統函數的修改

用戶(hù)任務(wù)工作在用戶(hù)級下，操作系統函數工作在特權級下，任務(wù)可能會(huì )在執行系統函數時(shí)執行上下文切換，因此系統要記錄任務(wù)切換時(shí)是處在特權級還是用戶(hù)級下，以便任務(wù)再次獲得處理器控制權時(shí)，切換到原先的訪(fǎng)問(wèn)等級下。在任務(wù)創(chuàng )建時(shí)，加入訪(fǎng)問(wèn)權限參數mode。

權限的值定義為：

#define OS_Mode_USER 1u //用戶(hù)級
#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特權級
在創(chuàng )建任務(wù)函數與堆棧初始函數的參數中加入訪(fǎng)問(wèn)權限參數，形式如下：
INT8U OSTaskCreateExt (……,INT8U mode );
OS_STK *OSTaskStkInit (……,INT8U mode);

在堆棧初始化時(shí)，把mode最后存到堆棧當中，以便任務(wù)第一次運行時(shí)進(jìn)入相應的工作模式(特權級或用戶(hù)級)。統計任務(wù)和空閑任務(wù)的mode是OS_Mode_PRIVILEGE，而用戶(hù)任務(wù)為OS_Mode_USER。

4.3 OS_CPU_A.ASM文件中函數的修改

在OS_CPU_A.ASM文件中，只需修改函數PendSV_Handler(PendSV服務(wù)例程)，任務(wù)切換是由它來(lái)完成的。同時(shí)，設置PendSV的優(yōu)先級為最低，以便快速響應中斷，提高系統的實(shí)時(shí)性。PendSV服務(wù)例程的流程如圖3所示。

圖3 PendSV服務(wù)例程流程

任務(wù)切換上文的程序：

SUBS R0,R0,#0x24;調整PSP指針，mode、R4~R11共36字節
MRS R1,CONTROL;獲取當前任務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)等級mode
STM R0,{R1,R4R11};壓棧mode，R4~R11