MQX心得之用户模式（中）

之前说了MPU，现在说说MQX是如何使用MPU的。对于Privileged级，一般来说对整体0x00000000～0xffffffff都是有rwx权限的，（当然这个只是MPU的权限，就算是Privileged级，访问了不该访问的地址还是会出现异常错误的，不过不是MPU引发的而已）关于Unprivileged的MPU设置就比较复杂一点，具体设置的地方在_bsp_enable_card函数里：

_kinetis_mpu_add_region(0, ((uchar_ptr)kernel_data->INIT.START_OF_USER_NO_MEMORY) - 1, \
        MPU_WORD_M3SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M3UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M2SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M2UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M1SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M1UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M0SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M0UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X));

    _kinetis_mpu_add_region(((uchar_ptr)kernel_data->INIT.START_OF_USER_RO_MEMORY), (uchar_ptr)0xffffffff, \
        MPU_WORD_M3SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M3UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M2SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M2UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M1SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M1UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X) | \
        MPU_WORD_M0SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M0UM(MPU_UM_R | MPU_UM_X));

    ....

      if (kernel_data->INIT.START_OF_USER_RW_MEMORY < kernel_data->INIT.END_OF_USER_RW_MEMORY) {
        _kinetis_mpu_add_region(kernel_data->INIT.START_OF_USER_RW_MEMORY, ((uchar_ptr)kernel_data->INIT.END_OF_USER_RW_MEMORY) - 1, \
            MPU_WORD_M1SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M1UM(MPU_UM_R | MPU_UM_W) | \
            MPU_WORD_M0SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M0UM(MPU_UM_R | MPU_UM_W));
    }

    // set access for user read-only memory area
    if (kernel_data->INIT.START_OF_USER_RO_MEMORY < kernel_data->INIT.END_OF_USER_RO_MEMORY) {
        _kinetis_mpu_add_region(kernel_data->INIT.START_OF_USER_RO_MEMORY, ((uchar_ptr)kernel_data->INIT.END_OF_USER_RO_MEMORY) - 1, \
            MPU_WORD_M1SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M1UM(MPU_UM_R) | \
            MPU_WORD_M0SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M0UM(MPU_UM_R));
    }

    // set access for user no access memory area
    if (kernel_data->INIT.START_OF_USER_NO_MEMORY < kernel_data->INIT.END_OF_USER_NO_MEMORY) {
        _kinetis_mpu_add_region(kernel_data->INIT.START_OF_USER_NO_MEMORY, ((uchar_ptr)kernel_data->INIT.END_OF_USER_NO_MEMORY) - 1, \
            MPU_WORD_M1SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M1UM(0) | \
            MPU_WORD_M0SM(MPU_SM_RWX) | MPU_WORD_M0UM(0));
    }

    这里定义多块MPU区域，0～START_OF_USER_NO_MEMORY、START_OF_USER_RO_MEMORY～0xfffffff、START_OF_USER_RW_MEMORY～END_OF_USER_RW_MEMOR、START_OF_USER_RO_MEMORY～END_OF_USER_RO_MEMORY、START_OF_USER_NO_MEMORY～END_OF_USER_NO_MEMORY，针对每块区域都有不同的设定。
    而这些诸如START_OF_USER_NO_MEMORY之流的又是什么呢？它们定义在MQX_init_struct里，在使用MDK环境的时候这个定义如下：

const MQX_INITIALIZATION_STRUCT  MQX_init_struct =
{
    ....
#if MQX_ENABLE_USER_MODE
   BSP_DEFAULT_START_OF_KERNEL_AREA,
   BSP_DEFAULT_END_OF_KERNEL_AREA,

   BSP_DEFAULT_START_OF_USER_DEFAULT_MEMORY,
   BSP_DEFAULT_END_OF_USER_DEFAULT_MEMORY,

   BSP_DEFAULT_START_OF_USER_HEAP,
   BSP_DEFAULT_END_OF_USER_HEAP,

   BSP_DEFAULT_START_OF_USER_RW_MEMORY,
   BSP_DEFAULT_END_OF_USER_RW_MEMORY,

   BSP_DEFAULT_START_OF_USER_RO_MEMORY,
   BSP_DEFAULT_END_OF_USER_RO_MEMORY,

   BSP_DEFAULT_START_OF_USER_NO_MEMORY,
   BSP_DEFAULT_END_OF_USER_NO_MEMORY,

   BSP_DEFAULT_MAX_USER_TASK_PRIORITY,
   BSP_DEFAULT_MAX_USER_TASK_COUNT,
#endif
};

#define BSP_DEFAULT_START_OF_USER_RW_MEMORY ((pointer)&Image$$RWUSER$$Base)
#define BSP_DEFAULT_END_OF_USER_RW_MEMORY ((pointer)&Image$$DATA$$Base)
#define BSP_DEFAULT_START_OF_USER_RO_MEMORY ((pointer)&Image$$ROUSER$$Base)
#define BSP_DEFAULT_END_OF_USER_RO_MEMORY ((pointer)&Image$$RWUSER$$Base)
#define BSP_DEFAULT_START_OF_USER_NO_MEMORY ((pointer)&Image$$NOUSER$$Base)
#define BSP_DEFAULT_END_OF_USER_NO_MEMORY ((pointer)&Image$$ROUSER$$Base)

         看来这个和NOUSER、ROUSER、RWUSER有关，而这些东西是链接文件intflash.scf里定义的

LOAD_REGION_INTFLASH INTFLASH_BASE_ADDR INTFLASH_SIZE
{
    VECTORS INTFLASH_BASE_ADDR
    {
        vectors.o (.vectors_rom,+FIRST)
        vectors.o (.cfmconfig)
    }

    ....

    RAM_VECTORS 0x1FFF0000 ; For ram vector table. Used when  MQX_ROM_VECTORS is set to zero.
    {
        vectors.o (.vectors_ram)
    }

    NOUSER +0
    {
        * (.nouser)
    }

    ROUSER MY_ALIGN(ImageLimit(NOUSER), 32)
    {
        * (.rouser)
    }

    RWUSER MY_ALIGN(ImageLimit(ROUSER), 32)
    {
        * (.rwuser)
    }

    .....
 }

         关于intflash.scf，我在博文“代码之始”就介绍了它的功能，不过当时着重的是中断向量表，现在我们来分析的是NOUSER、ROUSER和RWUSER这个3个段。这3个段按顺序在运行的时候加载在0x1FFF000+sizeof（vectors.o）的内存空间上。具体这里面是什么东西呢，这个就要看我们在编译的时候装进去什么了，我以MQX官方例程usermode举例。查看这个工程的map：

.....
    Image$$NOUSER$$Base                      0x1fff0000   Number         0  anon$$obj.o(linker$$defined$$symbols)
    Image$$ROUSER$$Base                      0x1fff0000   Number         0  anon$$obj.o(linker$$defined$$symbols)
    Image$$RWUSER$$Base                      0x1fff0000   Number         0  usermode.o(.rwuser)
    que                                      0x1fff0000   Data           4  usermode.o(.rwuser)
    usr_pool_id                              0x1fff0004   Data           4  usermode.o(.rwuser)
    Image$$DATA$$Base                        0x1fff0020   Number         0  psp_mstiq.o(.data)
    .....

 因为usermode程序里的中断向量表vectors在flash里，内存段的vectors.o大小为0。而NOUSER和ROUSER段都是空的，只有RWUSER有que和usr_pool_id一个8字节的变量。不过由于intflash.scf将其设置为32字节对齐，因此RWUSER大小是32字节。

 现在来说明que和usr_pool_id是如何被放到RWUSER里的，在usermode.c和comp.h里有如下代码：

USER_RW_ACCESS uint_32 *que;
USER_RW_ACCESS _lwmem_pool_id usr_pool_id;

#define USER_RW_ACCESS __attribute__((section(".rwuser")))
#define USER_RO_ACCESS __attribute__((section(".rouser")))
#define USER_NO_ACCESS __attribute__((section(".nouser")))

在mdk环境下，使用__attribute__((section(".XXX")))前缀就可以将一个变量在链接的时候放到链接脚本的对应的XXX的段里。通过这样的手段，我们就可以随意的控制静态变量的位置，这是一个非常有用的技巧。

知道了MPU各个区域的地址范围，我现在给出这个的MPU地址空间表。要注意的是对于重复定义的地址空间MPU的权限是采用or运算的，比如MPU某区域规定0～0x200空间内M0的Unprivileged的权限是rx,而还有一块区域定义在0x100~0x300里M0的Unprivileged的权限是rw，那么在0x100～0x200的地址空间内M0设备Unprivileged实际权限是rx|rw=rwx。

     
      从图中可以看出，对于Privileged权限，MPU允许全体地址空间都是RWX，而对于Unprivileged权限，在flash段是RX，这样我们的用户任务还是可以运行存储在flash里的指令程序的。在内存段里面NOUSER是不允许访问，ROUSER只允许读，RWUSER只允许读写，而其他内存段是RX。对于0x40000000～0xffffffff里主要是寄存器和FlexBus，Unprivileged权限是不允许写的，即MQX的默认配置下，用户级别任务不允许写寄存器和写外部总线，而这些关于底层硬件操作全是交给系统调用来完成的。