摘要：通過(guò)分析μC／OS-II操作系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，利用Cortex-M3內(nèi)核上配置的MPU(Memory Protection Unit，存儲(chǔ)器保護(hù)單元)，把內(nèi)存劃分為特權(quán)級(jí)與用戶級(jí)兩個(gè)區(qū)。對(duì)移植到內(nèi)核上的μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，使操作系統(tǒng)與用戶任務(wù)在不同的訪問(wèn)等級(jí)下運(yùn)行，并且使用不同的堆棧指針，以提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：μC／OS-II；Cortex-M3；存儲(chǔ)器保護(hù)單元；安全性；穩(wěn)定性

引言
    μC／OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，但不區(qū)分用戶空間和系統(tǒng)空間，使得系統(tǒng)的安全性變差。而μC／OS-II官網(wǎng)提供的基于Cortex-M3內(nèi)核移植的μC／OS-II操作系統(tǒng)，一直運(yùn)行在特權(quán)級(jí)下，用戶程序也可以訪問(wèn)操作系統(tǒng)的變量和常量，導(dǎo)致系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性變得更差。

1 開(kāi)發(fā)壞境與Cortex-M3內(nèi)核簡(jiǎn)介
    使用IAR 5．30開(kāi)發(fā)環(huán)境，移植μC／OS-II 2．86到Cortex-M3內(nèi)核上，選用配置了MPU的LPC1786處理器作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
    Cortex-M3處理器支持：兩種工作模式，線程模式和處理模式；兩種訪問(wèn)等級(jí)，特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)；兩個(gè)堆棧指針，主堆棧指針(MSP)和進(jìn)程堆棧指針(PSP)。異常處理工作在“處理模式+特權(quán)級(jí)+MSP”下；線程模式下，訪問(wèn)等級(jí)與堆棧指針可以相互搭配使用；但是在用戶級(jí)下，對(duì)特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間(SCS)的大部分寄存器的訪問(wèn)是禁止的。
    如果處理器(如LPC1700系列、LM3S系列等)配置有MPU，可通過(guò)設(shè)定內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)限大幅度地提高系統(tǒng)的安全性。

2 μC／OS-II內(nèi)核簡(jiǎn)介
    μC／OS-II操作系統(tǒng)憑借其源代碼公開(kāi)、結(jié)構(gòu)小巧、內(nèi)核可剝奪、實(shí)時(shí)性高等諸多特性而得到廣泛的應(yīng)用，并且μC／OS-II絕大部分代碼是用C語(yǔ)言編寫的，便于移植到各種內(nèi)核上。它提供了諸如任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、中斷管理，以及任務(wù)間的同步與通信等實(shí)時(shí)內(nèi)核的基本功能，而沒(méi)有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口及網(wǎng)絡(luò)組件之類的額外服務(wù)。但由于μC／OS-II具有較好的可移植性和開(kāi)源性，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用添加所需要的服務(wù)，而且系統(tǒng)移植只需修改文件OS_CPU_C．C、OS_CPU．H、OS_CPU_A．ASM。

3 μC／OS-II操作系統(tǒng)移植的改進(jìn)
    如果用戶任務(wù)運(yùn)行在“用戶級(jí)+PSP”狀態(tài)下，而調(diào)用操作系統(tǒng)函數(shù)時(shí)運(yùn)行在“特權(quán)級(jí)+MSP”狀態(tài)下，再配合MPU的使用，可以使系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到很大的提高。
3.1 設(shè)置系統(tǒng)寄存器
    系統(tǒng)任務(wù)(統(tǒng)計(jì)任務(wù)、空閑任務(wù)等)只使用主堆棧指針MSP，并且一直運(yùn)行在特權(quán)級(jí)下；而用戶任務(wù)則使用PSP、MSP兩個(gè)堆棧。在系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)置MPU的相關(guān)寄存器，把內(nèi)存分為特權(quán)級(jí)與用戶級(jí)兩個(gè)區(qū)，如圖1所示。PSP分配在用戶區(qū)，MSP、系統(tǒng)變量與常量分配在特權(quán)區(qū)，以提高系統(tǒng)的安全性。

3．2 修改系統(tǒng)函數(shù)
    為了任務(wù)首次運(yùn)行時(shí)，可以進(jìn)入相應(yīng)的訪問(wèn)等級(jí)和使用相應(yīng)的堆棧指針，在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，加入工作狀態(tài)參數(shù)mode。在ucos_ii．h中定義訪問(wèn)等級(jí)與堆棧選擇的常量：

3．2．1 修改任務(wù)控制塊OS_TCB
    在任務(wù)控制塊中加入MSP指針，形式如下：

3．2．2 修改任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)
    在任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)的參數(shù)中加入mode參數(shù)，形式如下：

    對(duì)OSTaskCreateExt()函數(shù)做的修改同上。
3．2．3 修改堆棧初始函數(shù)
    在堆棧初始化時(shí)，把mode值存儲(chǔ)在MSP底部，以便任務(wù)第一次運(yùn)行時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)(特權(quán)級(jí)還是用戶級(jí)，使用MSP還是PSP)。系統(tǒng)任務(wù)的mode是OS_Mode_PRIVILEGE | OS_Mode_MSP，任務(wù)創(chuàng)建時(shí)PSP為0；而用戶任務(wù)為OS_Mode_USER | OS_Mode_PSP。
    堆棧初始函數(shù)的參數(shù)中加入mode參數(shù)，形式如下：

    OS_TCBInit()函數(shù)把堆棧初始化得到的堆棧指針存入OS_TCB中。

3．3 修改OS_CPU_A．ASM文件中的函數(shù)
    在OS_CPU_A．ASM文件中，只需修改函數(shù)PendSV_Handler(PendSV服務(wù)例程)，任務(wù)切換是由它來(lái)完成的。
    PendSV服務(wù)例程的流程如圖2所示。

3．4 系統(tǒng)函數(shù)的使用
    系統(tǒng)函數(shù)都是在“特權(quán)級(jí)+MSP”狀態(tài)下執(zhí)行的，因此，在用戶任務(wù)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)前，應(yīng)先切換到“特權(quán)級(jí)+MSP”狀態(tài)，系統(tǒng)函數(shù)執(zhí)行完畢后再切換到“用戶級(jí)+PSP”狀態(tài)。具體代碼如下。
   
   
    在特權(quán)級(jí)下通過(guò)置位CONTRO[0]來(lái)進(jìn)入用戶級(jí)，而用戶級(jí)下是不能直接修改CONTROL[0]回到特權(quán)級(jí)的，必須通過(guò)一個(gè)異常，在異常例程中修改CONTROL[0]，才能在返回到線程模式后拿到特權(quán)級(jí)。通常的方法是使用軟中斷SVC。
    因此，從“用戶級(jí)+PSP”狀態(tài)下切換到“特權(quán)級(jí)+MSP”狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法是：在用戶級(jí)下執(zhí)行SVC指令，在SVC異常服務(wù)函數(shù)中清零CONTROL[0]位，再返回到線程模式下清零CONTROL[1]位切換到MSP；而從“特權(quán)級(jí)+MSP”狀態(tài)下切換到“用戶級(jí)+PSP”狀態(tài)下，只需置位CONTROL[0]與CONTROL[1]。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    在基于第二代Correx-M3內(nèi)核的LPC1786處理器的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)上，對(duì)修改后的操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試過(guò)程為：首先創(chuàng)建3個(gè)信號(hào)量0、1、2(計(jì)數(shù)器初始值都為0)；ADC按10 kHz的頻率對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采樣，采樣200點(diǎn)(也就是一幀數(shù)據(jù))后發(fā)送信號(hào)量0(發(fā)生中斷級(jí)切換)；任務(wù)0(優(yōu)先級(jí)0)請(qǐng)求信號(hào)量0，并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理并檢測(cè)語(yǔ)音信號(hào)的起始端與結(jié)束端；當(dāng)任務(wù)0檢測(cè)到起始端后，每處理完一幀數(shù)據(jù)都發(fā)送信號(hào)量1(產(chǎn)生任務(wù)級(jí)切換)，直到檢測(cè)到結(jié)束端，任務(wù)1(優(yōu)先級(jí)1)請(qǐng)求道信號(hào)量1后對(duì)真正的語(yǔ)言信號(hào)進(jìn)行特征提??；當(dāng)任務(wù)0檢測(cè)到語(yǔ)音信號(hào)結(jié)束端時(shí)發(fā)送信號(hào)量2，任務(wù)2(優(yōu)先級(jí)2)獲得信號(hào)量2后利用DWT算法對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并顯示到LCD屏上。
    測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)抗干擾能力、穩(wěn)定性和安全性均大大增強(qiáng)，并且系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，可見(jiàn)系統(tǒng)移植成功。

結(jié)語(yǔ)
    改進(jìn)后的系統(tǒng)，內(nèi)存的使用沒(méi)有增加，只是增加了很小的系統(tǒng)開(kāi)銷；但配合MPU使用，使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。該方法可廣泛應(yīng)用于對(duì)系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性要求比較高的場(chǎng)合。