在與從事功能安全開(kāi)發(fā)行業(yè)的同事以及SASETECH 社區(qū)的成員討論時(shí)，筆者經(jīng)常被問(wèn)及有關(guān)芯片內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）的問(wèn)題。ISO 26262的第6部分和第11部分都提及了MPU，但并未詳細(xì)描述MPU在功能安全開(kāi)發(fā)中的具體要求。因此，本文旨在討論以下問(wèn)題：什么是MPU？MPU解決哪些問(wèn)題？功能安全開(kāi)發(fā)對(duì)MPU的功能安全需求有哪些？

01.

MPU簡(jiǎn)述

微處理器單元內(nèi)的內(nèi)存保護(hù)單元（Memory Protection Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MPU）是執(zhí)行內(nèi)存訪問(wèn)控制和隔離的硬件機(jī)制。其核心功能是確保系統(tǒng)中的每個(gè)程序或進(jìn)程只能訪問(wèn)其被分配的內(nèi)存區(qū)域。這一機(jī)制有效防止了非法內(nèi)存訪問(wèn)，保護(hù)系統(tǒng)不受惡意軟件攻擊及數(shù)據(jù)損壞的威脅。此外，它還支持多任務(wù)環(huán)境下的上下文切換，確保了任務(wù)間的獨(dú)立性及系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

幾乎所有具備功能安全等級(jí)的芯片均集成了MPU，例如英飛凌（Infineon）的AURIX系列、瑞薩（Renesas）的RH850系列以及恩智浦（NXP）的S32K系列等。

在功能安全相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的背景下，MPU的主要目標(biāo)可概括為以下幾點(diǎn)：

● 代碼訪問(wèn)保護(hù)：通過(guò)定義存儲(chǔ)器區(qū)域之間的訪問(wèn)規(guī)則，確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定。

●內(nèi)存或外設(shè)保護(hù)：為不同的存儲(chǔ)區(qū)域配置存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限，這包括指令/數(shù)據(jù)緩存（I/D Cache）、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）以及外設(shè)存儲(chǔ)。

MPU主要防御的故障模式包括：

●數(shù)據(jù)完整性破壞：防止用戶應(yīng)用程序破壞操作系統(tǒng)所依賴(lài)的數(shù)據(jù)。

●任務(wù)隔離：避免一個(gè)任務(wù)異常地訪問(wèn)另一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，確保任務(wù)之間的隔離。

●意外存儲(chǔ)訪問(wèn)：防止諸如堆棧溢出或數(shù)組越界等意外的存儲(chǔ)訪問(wèn)行為。

●關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)：通過(guò)將不可寫(xiě)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)域設(shè)為只讀，防止對(duì)該區(qū)域數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤篡改。

02.

MPU工作原理

MPU負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一系列內(nèi)存保護(hù)功能，其工作原理主要包括以下幾個(gè)方面：

●內(nèi)存區(qū)域定義：MPU可以定義多個(gè)內(nèi)存區(qū)域，通常能夠保護(hù)多達(dá)16個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域。

●訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置：操作系統(tǒng)（OS）可以根據(jù)安全策略為每個(gè)內(nèi)存區(qū)域配置特定的訪問(wèn)權(quán)限。這意味著可以指定哪些進(jìn)程或任務(wù)有權(quán)讀取、寫(xiě)入或執(zhí)行內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。例如，可以設(shè)定Region A僅允許執(zhí)行任務(wù)Task X，而Region B僅允許執(zhí)行任務(wù)Task Y。如果一個(gè)屬于Task X的4字節(jié)指令“DCBA”被放置在Region A中，并且該指令的一部分延伸到了不允許執(zhí)行的Region B，則該指令將無(wú)法執(zhí)行。

●地址映射與檢查：MPU與內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）協(xié)同工作，負(fù)責(zé)將虛擬地址映射到物理地址。在映射過(guò)程中，MPU會(huì)檢查每個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求的權(quán)限，確保其與內(nèi)存區(qū)域的訪問(wèn)設(shè)置相匹配。

●異常生成：一旦檢測(cè)到違反內(nèi)存區(qū)域訪問(wèn)權(quán)限的請(qǐng)求，MPU將觸發(fā)一個(gè)異常或中斷，以阻止非法訪問(wèn)。這會(huì)通知操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)隨后可以采取措施，如終止非法訪問(wèn)進(jìn)程或記錄安全事件以供后續(xù)分析。以英飛凌（Infineon）的AURIX系列芯片為例，當(dāng)MPU激活時(shí)，任何未包含在活動(dòng)保護(hù)集選擇的MPU范圍內(nèi)的指令或數(shù)據(jù)訪問(wèn)都將立即導(dǎo)致CPU陷入陷阱（trap），并可向安全管理單元（Safety Management Unit，SMU）發(fā)出警報(bào)。

作為硬件組件，MPU的執(zhí)行速度通常優(yōu)于軟件實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，這使得它能夠高效地處理大量的內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求，同時(shí)保持系統(tǒng)的響應(yīng)性。MPU是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，它為操作系統(tǒng)提供了一種強(qiáng)有力的方法來(lái)隔離任務(wù)、保護(hù)數(shù)據(jù)，并防御惡意軟件攻擊。通過(guò)這種方式，MPU有助于維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

03.

功能安全開(kāi)發(fā)中對(duì)于MPU的要求

在功能安全開(kāi)發(fā)中，MPU扮演著至關(guān)重要的角色。其核心要求主要遵循ISO 26262這一國(guó)際功能安全標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于不同功能安全完整性等級(jí)要求的軟件組件，必須滿足要素共存的設(shè)計(jì)原則。對(duì)于沒(méi)有安全相關(guān)功能的軟件組件，其安全要求遵循無(wú)干擾原則，確保：

◆ 安全的內(nèi)存訪問(wèn)

◆正確的時(shí)間執(zhí)行

◆安全的數(shù)據(jù)交換

以操作系統(tǒng)（OS）為例，MPU可用于實(shí)現(xiàn)空間隔離保護(hù)，以防止內(nèi)存錯(cuò)誤。在這種情況下，MPU的目的是確保：

●同一軟件分區(qū)內(nèi)的任務(wù)（Task）之間不會(huì)相互干擾。一個(gè)軟件分區(qū)不能修改其他分區(qū)的代碼或數(shù)據(jù)，也不能控制其他分區(qū)的非共享資源。如下圖所示。

●在操作系統(tǒng)切換正在運(yùn)行的任務(wù)或中斷服務(wù)例程時(shí)，執(zhí)行上下文切換。此時(shí)，上下文數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，MPU重新配置，僅激活當(dāng)前任務(wù)或中斷服務(wù)例程所需的內(nèi)存分區(qū)。這可以保護(hù)任務(wù)Task1和Task2免受應(yīng)用程序Application B的未授權(quán)訪問(wèn)。如下圖所示。

在功能安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中，MPU主要保護(hù)的對(duì)象包括安全相關(guān)的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)和堆棧數(shù)據(jù)等。

04.

總結(jié)

通常，在功能安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中，MPU主要用于確保不同ASIL（Automotive Safety Integrity Level）等級(jí)的任務(wù)或不同執(zhí)行任務(wù)之間的獨(dú)立性。通過(guò)進(jìn)行故障模式與影響分析（FMEA）和獨(dú)立性故障分析（DFA），我們可以確定分區(qū)保護(hù)的軟件安全需求。

作者

邊俊

磐時(shí)創(chuàng)始人/首席安全專(zhuān)家

汽車(chē)安全社區(qū)SASETECH發(fā)起人；智能網(wǎng)聯(lián)預(yù)期功能安全工作組核心成員；國(guó)內(nèi)最早從事汽車(chē)功能安全、預(yù)期功能安全的專(zhuān)家之一