作者: brody.zhang@foxmail.com
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1 MCU 簡述
MCU 即單片機，適合 IO 密集、高實時要求任務（如控制、低功耗、快啟動高響應應用）。
AP (Aplication Processer) 處理器適合做高計算、低 IO 運算。針對不同系統需要設計合理的計算單元。
掌握 MCU 底層基本知識，對於軟件優化可以提供很多幫助。
2 MCU 內存映射、鏈接與跳轉
圖1：STM32F40x 內存映射
上圖為 STM32 內存空間映射，32位芯片最大尋址4GB，FLASH、RAM、外設都在此空間（Linux 高端映射不在本文討論范圍)。
通常工程中描述的地址都指鏈接地址（ld 文件或 scatter 文件），也是程序運行時所跳轉的地址。大部分 ARM 架構芯片上電從 0x0 地址開始運行，例如華大的芯片，Flash地址直接從 0x0 開始，鏈接腳本 RESET 段也從 0x0 開始。Flash 如果是 NAND 類型（不能 XIP 執行），需要上電后將程序所有內容搬運到 RAM 中，否則無法尋址。
備注：XIP 方式要求 Flash 隨機訪問讀寫，Flash 相關知識和鏈接文件各段意義不在此贅述，推薦閱讀《程序員的自我修養》學習。
提問：STM32 從 RAM 和 Flash 啟動地址是 0x20000000 和 0x0800000，為什么不是 0x0 地址？
答：根據 memory map 可以看出，STM32 根據 boot pin 配置不同，將 0x0 - 0x000FFFFF 映射到 SRAM 或者 Flash，相當於別名，可以嘗試將鏈接地址改為這個范圍，代碼執行不會受到任何影響。
3 MCU 啟動文件（基於 STM32）
3.1 MDK 版本：
跳轉到 Reset 后先初始化系統時鍾，再執行 __main() 函數。
__main 為 armcc 庫函數，先執行 __scatterload()，裝載 RW，清空 ZI。再使用 __rt_entry() 初始化 C 庫堆棧。堆棧建立用到了__user_initial_stackheap()
中斷向量表
前 16 個為 Cotex-M 內核定義，其余中斷號由廠商定義。
在鏈接文件中，將中斷向量表定義為 RESET 段並定義在可執行文件最前面，+First / LAST 可指定段位於最前或者最后，詳情可以查閱 ARMCC 手冊。
3.2 GCC 版本：
流程相似，不再贅述，請同學自己分析。
提問：0x0 填棧頂指針是必須的嗎？
答案：非必須，在 ARM 手冊中此地址為保留地址，廠商通常實現為上電自動賦值給 MSP。FreeRTOS 便利用這個值在內核啟動后重新初始化 MSP。可以測試將此值定義為0，只要在 ResetHandler 中和內核啟動后將 MSP 設置為正確值即可。
4 實時操作系統-SVC 與 PendSV
| Handler mode 中斷中 |
Thread mode 非中斷中 |
|
| Privileged 可訪問全部寄存器 |
中斷一定是特權模式，復位后使用 MSP |
可以在特權模式配置為非特權模式 |
| Unprivileged 禁止訪問內核寄存器，例如：CONTROL 寄存器、NVIC 寄存器、MPU 寄存器 |
不存在 |
可以通過出發 SVC 進行系統調用，在中斷中進入特權模式 |
對於堆棧指針使用：
中斷中一定使用 MSP，但是在線程中根據 CONTROL 寄存器的第 1 位確定 MSP 或 PSP
4.1 SVC 軟中斷
SVC 指令（匯編調用或者函數聲明SVC）可以直接出發 SVC 中斷。
此指令可以傳遞一個參數（即 SVC 服務號），在 ARM 模式下 24 位，thumb 模式下 8 位。模式切換根據 BX 指令跳轉地址的第 0 位是否為 1 決定。
在 FreeRTOS 中實現了三個 SVC 調用，分別是啟動調度器、觸發任務調度、進入特權模式。
4.2 PendSV 可掛起中斷
RTOS 在 Systick 中斷置位 PendSV 標志位，當當前無中斷響應時進入 PendSV 進行調度。
調度基本流程：
- 入棧（線程棧）當前任務 TCB
- O(1) 位圖算法選擇下一個需要執行任務
- 切換 SP 出棧恢復任務現場
5 MPU 任務隔離
MPU 單元為不同的內存區域設置了訪問權限，特權級訪問、非特權級訪問，針對有 cache 的芯片（例如Cotex-M7系列）還可以配置是否使用 cache 避免數據不一致。
STM32F4xx 支持配置 8 個區域，支持背景區域，即不設置 MPU 的區域可配置默認訪問權限。
提問：MPU 如何保護任務棧？
答案：FreeRTOS 支持 MPU 接口。MPU 接口針對每個任務設置可訪問區域，任務運行在非特權模式，當任務切換時，MPU 寄存器也跟隨任務進行切換到該任務可訪問區域。這樣當任務越過自己的任務棧時便觸發內存訪問錯誤中斷。使用 MPU 增強了安全性，但是編程復雜度提升，無法通過全局傳參，編碼限制增加。
提問：不帶 MPU 接口的 FreeRTOS 堆棧檢測機制是怎樣的？
答案：任務切換時檢測堆棧指針是否越過棧底。缺點是無法檢測越過后在調度前又回來的情況。常見的棧檢測做法還有棧染色法，預先給任務棧刷固定魔數，通過檢查魔數是否改變統計使用率。
6 MMU、頁表、進程實現與地址隔離（以32位 rt-smart 為例講解）
ARM 架構目前有三個系列，Cotex-M、Cotex-A、Cortex-R。分別用於低成本嵌入式設備（物聯網、工控等），高端消費品（手機、無人機、顯示設備），高實時高安全場景。其中 Cotex-M 和 Cotex-R (除最新的Cortex-R82)不帶MMU，Cotex-A 系列基本都帶 MMU 組件。MMU 實質上是一種用硬件實現保證內存管理安全的方法，隔離了各個進程的運行空間。
本節以 rt-smart 在 Cotex-A 的移植分享下個人理解。
代碼可以參考：https://www.100ask.net/detail/p_5fdec53ce4b0231ba88dc8d1/8
頁表：頁表是虛擬地址和物理地址的映射，在具體的實現上，就是一個數組。按照 1M 大小划分頁表，則 32 位系統 4G 地址空間需要 4K 個頁表項。數組成員則代表數組下標 * 1M的虛擬地址所對應的物理地址。
ARM 通過 CP15 協處理器進行 MMU 控制，支持二級頁表。當設置頁表基地址（實現上是傳入頁表數組指針）使能后，CPU 尋址可通過硬件級別自動轉換。同時 MMU 支持對內存區域權限配置，例如是否可以使用 cache、writebuffer。
ARM 一級頁表和二級頁表定義：
- 一級頁表按照 1M 划分，每個頁表項代表 1M 物理地址的基地址。32位系統需要 4K 個一級頁表項，需要 16K 的空間存儲。
- 二級頁表按照 4K 划分，每個頁表項代表 4K 物理地址的基地址。4G 地址空間需要 1M 個二級頁表項，需要 4M 空間。
CPU典型尋址過程：
6.1 以 rt-smart 為例詳解 MMU 操作
需要搞明白的幾個關鍵點：
- 物理內存地址都映射在內核空間，創建進程從內核空間管理的 page 映射為用戶空間。
- 創建進程頁表時候，需要將內核頁表復制到進程頁表內核空間位置。
- 內核沒有用戶空間，rt-smart 只支持內核空間直接映射 0xC0000000 - 0xF0000000，即最大支持 768M 物理內存（Linux 中無法直接映射的內存空間使用高端映射訪問）
- 用戶進程通過 SVC 中斷進行內核服務調用
rt-smart 內存空間映射（全局視角）：
用戶進程空間映射：
rt-smart 內核啟動流程：
1. 拷貝內核代碼到 RAM 中運行，此時使用物理地址，從 0x0 地址開始運行。
2. 初始化頁表，將物理地址同時映射到 0x0 和 0xC0000000，防止 CPU 使能 MMU 瞬間尋址錯誤（這里可以仔細思考下原因）。
3. 映射內核頁表到 0xC0000000，此時 CPU 訪問的都是虛擬地址，內核代碼鏈接地址在 0xC0000000 空間。當沒有進程創建時 CPU 不會訪問 0~3G 地址空間。
物理角度看進程內存映射：
如上圖，用戶程序裝載后物理上都位於頁表管理區，由 MMU 硬件保證不會訪問別的進程內存空間。當 CPU 需要訪問硬件寄存器時則通過動態映射到綠色區域尋址。
創建進程和調度分為以下幾步：
- 內核裝載用戶進程 elf：申請內存進行進程頁表映射（0~3G）（先創建一級頁表，每個頁表項都是二級頁表，裝載用到時再創建二級頁表），復制內核頁表到3~4G空間。
- 傳參進程入口函數，創建進程內核任務。rt-smart 創建進程及進程中線程時等效創建內核線程，進程創建幾個線程則對應創建幾個內核線程。同一進程創建的線程地址空間相同，不同進程地址空間不同，所有內核線程統一進行調度。
- 任務調度，若前后線程不屬於同一個進程，則觸發頁表切換操作
- 進程中用戶若想訪問硬件資源，需要通過 SVC 調用陷入內核，由內核進行真正的硬件操作，用戶無法直接尋址訪問內核資源。
- 進程間通信采用共享內存、管道等方式
提問：為什么需要二級頁表？
答：節省內存。直覺上一級頁表二級頁表全空間映射每個進程需要 16K+4M 內存，更加浪費內存，實際並非如此。
- 頁表每項需要物理上連續，1M大小的頁過大使用很不方便，當內存碎片化時很難分配。即使只使用1字節內存，也必須分配1M空間，造成內存浪費。
- 實際上根據 用戶進程空間映射 一節描述，用戶程序內存使用並不連續，大多數程序很多地址空間都不需要訪問，如果全使用 4K 大小頁表，則很多頁表項都是無用的，造成很大內存開銷。
- 通常進程無法用完0~3G的用戶空間，當用戶進程內存使用遠小於0~3G，裝載時先創建一級頁表，用不到的空間則不映射二級頁表，則既滿足了使用小頁表，也避免了用不到的空間頁表映射開銷，代價就是多一次尋址。