這是由四部分組成的系列文章的第四部分，介紹了獨特的產(chǎn)品 MPU-Plus? 以及使用 Cortex-M 內(nèi)存保護單元 （MPU） 實現(xiàn)改進的微控制器單元 （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、父任務和子任務以及任務本地存儲。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、對安全性的需求不斷增加、保護目標、MPU Plus 快照、Cortex-v7M 和 v8M 以及 MPU 操作。

動態(tài)區(qū)域

如前所述，創(chuàng)建靜態(tài)區(qū)域是一個耗時、繁瑣且容易出錯的過程。下面討論的動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域有助于減輕一些負擔。

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， 名稱）;

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

其中 rp 是指向所創(chuàng)建區(qū)域的指針，sz 是區(qū)域大小，sn 是插槽號，attr 是屬性，名稱是區(qū)域的可選名稱，hn 是堆編號，池是塊池句柄，bp 是塊指針。上述內(nèi)容可用于分別從堆、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］ 中的條目。然后，按如下方式設置動態(tài)區(qū)域的 MPA 模板槽：

mpa_tmplt_t2a=MP_DYN_RGN;

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在系統(tǒng)初始化期間調(diào)用。但是，它們也可以由 ptask 調(diào)用，這些 ptask 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，并且可以在任務之間共享它們。盡管它們不能用于全局變量，但它們確實節(jié)省了在代碼中定義節(jié)、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，更不容易出錯。鑒于 sz 很可能是大小 （） 的總和，它們在開發(fā)過程中也可能更靈活。

受保護的數(shù)據(jù)塊

以下受保護的塊函數(shù)允許從 utask 或 ptask 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，不同之處在于對于發(fā)布函數(shù)，bp 是其中一個 Get 函數(shù)返回的塊指針，clrsz 指定在塊的第一個字中的可用塊鏈接之后要清除多少字節(jié)。基本上，塊是從堆或池中獲取的，或者由靜態(tài)塊制成的。為它創(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，因為如果黑客滲透到任務中，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)。如果任務的編寫使得其所有靜態(tài)變量都在結(jié)構(gòu)中，例如：

u8* VP;

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。在上面，vp 是塊Get（）函數(shù)返回的塊指針。（請注意，vp 是一個 auto 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)不是以這種方式編寫的，那么轉(zhuǎn)換它并不困難 - 只需在每個靜態(tài)變量引用之前插入“vp-》”，定義一個VP結(jié)構(gòu)，將變量名稱作為字段，并將vp定義為指向VP的指針。

受保護的數(shù)據(jù)塊和動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域之間的區(qū)別在于，受保護的數(shù)據(jù)塊可以在任務運行時獲取，而動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域是在初始化期間創(chuàng)建的，并且指向它的指針加載到任務的模板中。受保護的數(shù)據(jù)塊對于用于創(chuàng)建臨時緩沖區(qū)和受保護消息的 utask 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、受保護的數(shù)據(jù)塊或 TLS 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)名稱非常短，這不會明顯使代碼復雜化。例如，下面是來自電子堆的一些代碼：

》EH_OK;

bsmap = hvp［hn］-》地圖;

csbin = hvp［hn］-》

為了支持多個堆，有必要將離散全局變量更改為一組結(jié)構(gòu) hvp［hn］。在本例中，hvp［hn］-》粘貼到代碼中每個全局變量名稱的開頭。Cortex-M 架構(gòu)允許以與離散全局變量一樣快或更快的速度訪問結(jié)構(gòu) – 函數(shù)中的一條 LDM 指令加載結(jié)構(gòu)基址，然后通過常量偏移訪問字段。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，因此訪問它們的速度可能會較慢。使用結(jié)構(gòu)還允許將一起使用的字段組合在一起，如果處理器具有指令緩存，則可以提高性能。通過使用 sizeof（） 來確定指針偏移量，可以自動處理多個結(jié)構(gòu)和數(shù)組。

受保護的郵件

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)塊轉(zhuǎn)換為受保護的郵件，當前任務將成為郵件所有者。消息發(fā)送到消息交換，并從消息交換接收。在消息交換時，消息的 MCB 鏈接到交換的控制塊，進入等待消息隊列。

圖 11 說明了在任務之間傳輸受保護的郵件。任務 A 顯示為綠色，任務 B 顯示為藍色。黃色表示 p 代碼和 pdata，它們受任一任務的影響。如圖所示，TaskA 在槽 sn 中獲取一個 pdata 塊，將其制作成一條消息，加載它，然后將其發(fā)送到 Xchg。作為發(fā)送操作的一部分，MPU 和任務 A 的 MPA 中的插槽 sn 將被清除。請注意，其他消息正在 Xchg 等待，而 MCBi 位于消息隊列的頂部。任務 B 在插槽 sx 中接收它。請注意，rbar 和 rasr 是從 MCBi 獲取的，用于在插槽 sx 中為消息的 pdata 塊創(chuàng)建區(qū)域。TaskB 驗證消息，該消息與應用程序相關，可能包括對數(shù)據(jù)執(zhí)行范圍和一致性檢查。然后，它處理 pdata，取消生成消息，將插槽 sx 中的 pdata 塊釋放回其堆或池，并清除 MPU 和 TaskB 的 MPA 中的插槽 sx。

smx 中添加了兩個受保護的郵件函數(shù)：

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

布爾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 插槽號，超時以刻度為單位，mp 是消息指針，pri 是消息優(yōu)先級，rp 是回復指針（例如，發(fā)送到交換發(fā)送回復消息。）

如圖 11 所示，當發(fā)送受保護的消息時，MPU 和當前任務的 MPA 中的插槽 sn 將被清除。因此，即使發(fā)送任務保留了指向消息塊（例如 bpp）的指針，它也無法訪問消息塊。這挫敗了在另一個分區(qū)中的接收任務驗證消息后更改消息的黑客技術(shù)。它還會阻止在另一個分區(qū)中的接收任務更新消息后讀取消息。

在交換時，消息塊區(qū)域信息存儲在消息的 MCB 中，并且交換是消息的所有者。當接收任務接收到消息時，其消息塊區(qū)域信息被加載到 MPU 和接收方 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。因此，可以創(chuàng)建一條消息，加載數(shù)據(jù)，傳遞給任務以檢查數(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存在完全隔離。當然，發(fā)件人可以發(fā)送某種破壞性消息。因此，接收方必須在接受消息之前執(zhí)行驗證。此安全級別是特定于應用程序的。

分區(qū)門戶

如 第 3 部分 所述，分區(qū)入口支持將客戶機分區(qū)與服務器分區(qū)隔離，并且是實現(xiàn) 100% 分區(qū)隔離所必需的，這對于實現(xiàn)強安全性至關重要。它們建立在上述受 smx 保護的郵件之上。受保護的郵件滿足 Arm PSA 安全 IPC 要求（請參閱第 1 部分中的參考文獻 3），而無需復制郵件。因此，引入門戶與普通函數(shù)調(diào)用 API 可能不會明顯降低性能。

如圖 12 所示，分區(qū)入口由標記為 XI 和 XO 的交換組成 — 每個方向一個。添加到客戶機分區(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（由虛線左側(cè)的區(qū)域表示）中的服務器任務正在 XI 交換處等待消息。當它收到消息時，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)用的返回信息放入發(fā)送到 XO 交換的消息中。客戶端任務從 XO 交換接收消息，并將信息返回給客戶端分區(qū)中的調(diào)用方。

顯然，要將分區(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。如果要創(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，數(shù)據(jù)復制問題也存在于基于 MMU 的大型系統(tǒng)中。實際上，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，通過入口進行的分區(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)執(zhí)行較少的工作，因此系統(tǒng)安全性可能更好。較小的分區(qū)也使冗余路徑更實用 - 例如，兩個獨立的路徑將可疑活動報告回總部。

調(diào)試支持

啟用安全功能時，調(diào)試代碼更具挑戰(zhàn)性。因此，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。可以在后期調(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，它們實際上會變得很有幫助。此外，建議在開發(fā)走得太遠之前開始解決安全問題。

smx軟件?包括許多與安全相關的功能，以幫助調(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。圖形化的內(nèi)存映射概述在內(nèi)存條中顯示 MPU 區(qū)域。將顯示開始地址和結(jié)束地址以及排除的子區(qū)域。在所有顯示器中，都會標記對齊和重疊等錯誤。有關詳細信息，請參閱：

smxAware用戶指南，由馬蒂·科克倫和大衛(wèi)·摩爾，微數(shù)碼公司。

結(jié)論

軟件工程已經(jīng)失去了它的天真 - 我們現(xiàn)在正在為一個充滿敵意的世界設計。不可能實現(xiàn)完美的安全性，但它可以非常好。毫無疑問，一個堅定的黑客會發(fā)現(xiàn)一些弱點，即使是你能設計出的最好的安全性。因此，有必要分析所有代碼與可能的威脅。

在某些情況下，代碼體的設計和實現(xiàn)可能非常糟糕，因此非常脆弱，以至于重新設計它是一個毫無希望的命題。在這種情況下，使用本文中介紹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，有必要設計一個策略來處理不可避免的闖入，并實現(xiàn)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。

如果升級舊代碼以提高現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性，或者使用舊代碼開發(fā)新產(chǎn)品，則主要工作通常是重構(gòu)舊代碼。所需的重新編碼量可能很小，具體取決于代碼開始時的結(jié)構(gòu)。當然，新代碼應該從一開始就為安全而設計。

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的目標是提供一條路徑，在不造成過度痛苦的情況下實現(xiàn)良好的安全性。

審核編輯：郭婷