摘要：通過分析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，存儲器保護單元)，把內(nèi)存劃分為特權級與用戶級兩個區(qū)。對移植到內(nèi)核上的μC／OS-II實時操作系統(tǒng)進行改進與優(yōu)化，使操作系統(tǒng)與用戶任務在不同的訪問等級下運行，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。
關鍵詞：μC／OS-II；Cortex-M3；存儲器保護單元；安全性；穩(wěn)定性

引言
    μC／OS-II是基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核，實時性較強，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)，一直運行在特權級下，用戶程序也可以訪問操作系統(tǒng)的變量和常量，導致系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性變得更差。

1 開發(fā)壞境與Cortex-M3內(nèi)核簡介
    使用IAR 5．30開發(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處理器作為硬件實驗平臺。
    Cortex-M3處理器支持：兩種工作模式，線程模式和處理模式；兩種訪問等級，特權級和用戶級；兩個堆棧指針，主堆棧指針(MSP)和進程堆棧指針(PSP)。異常處理工作在“處理模式+特權級+MSP”下；線程模式下，訪問等級與堆棧指針可以相互搭配使用；但是在用戶級下，對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是禁止的。
    如果處理器(如LPC1700系列、LM3S系列等)配置有MPU，可通過設定內(nèi)存的訪問權限大幅度地提高系統(tǒng)的安全性。

2 μC／OS-II內(nèi)核簡介
    μC／OS-II操作系統(tǒng)憑借其源代碼公開、結構小巧、內(nèi)核可剝奪、實時性高等諸多特性而得到廣泛的應用，并且μC／OS-II絕大部分代碼是用C語言編寫的，便于移植到各種內(nèi)核上。它提供了諸如任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理、中斷管理，以及任務間的同步與通信等實時內(nèi)核的基本功能，而沒有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口及網(wǎng)絡組件之類的額外服務。但由于μC／OS-II具有較好的可移植性和開源性，用戶可以根據(jù)實際應用添加所需要的服務，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
    如果用戶任務運行在“用戶級+PSP”狀態(tài)下，而調(diào)用操作系統(tǒng)函數(shù)時運行在“特權級+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 設置系統(tǒng)寄存器
    系統(tǒng)任務(統(tǒng)計任務、空閑任務等)只使用主堆棧指針MSP，并且一直運行在特權級下；而用戶任務則使用PSP、MSP兩個堆棧。在系統(tǒng)初始化時，設置MPU的相關寄存器，把內(nèi)存分為特權級與用戶級兩個區(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)
    為了任務首次運行時，可以進入相應的訪問等級和使用相應的堆棧指針，在任務創(chuàng)建時，加入工作狀態(tài)參數(shù)mode。在ucos_ii．h中定義訪問等級與堆棧選擇的常量：

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

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

    對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，把mode值存儲在MSP底部，以便任務第一次運行時進入相應的運行狀態(tài)(特權級還是用戶級，使用MSP還是PSP)。系統(tǒng)任務的mode是OS_Mode_PRIVILEGE | OS_Mode_MSP，任務創(chuàng)建時PSP為0；而用戶任務為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服務例程)，任務切換是由它來完成的。
    PendSV服務例程的流程如圖2所示。

3．4 系統(tǒng)函數(shù)的使用
    系統(tǒng)函數(shù)都是在“特權級+MSP”狀態(tài)下執(zhí)行的，因此，在用戶任務調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)前，應先切換到“特權級+MSP”狀態(tài)，系統(tǒng)函數(shù)執(zhí)行完畢后再切換到“用戶級+PSP”狀態(tài)。具體代碼如下。
   
   
    在特權級下通過置位CONTRO[0]來進入用戶級，而用戶級下是不能直接修改CONTROL[0]回到特權級的，必須通過一個異常，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級。通常的方法是使用軟中斷SVC。
    因此，從“用戶級+PSP”狀態(tài)下切換到“特權級+MSP”狀態(tài)的實現(xiàn)方法是：在用戶級下執(zhí)行SVC指令，在SVC異常服務函數(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“特權級+MSP”狀態(tài)下切換到“用戶級+PSP”狀態(tài)下，只需置位CONTROL[0]與CONTROL[1]。

4 系統(tǒng)測試
    在基于第二代Correx-M3內(nèi)核的LPC1786處理器的語音識別系統(tǒng)上，對修改后的操作系統(tǒng)進行測試。具體測試過程為：首先創(chuàng)建3個信號量0、1、2(計數(shù)器初始值都為0)；ADC按10 kHz的頻率對語音信號采樣，采樣200點(也就是一幀數(shù)據(jù))后發(fā)送信號量0(發(fā)生中斷級切換)；任務0(優(yōu)先級0)請求信號量0，并對語音信號預處理并檢測語音信號的起始端與結束端；當任務0檢測到起始端后，每處理完一幀數(shù)據(jù)都發(fā)送信號量1(產(chǎn)生任務級切換)，直到檢測到結束端，任務1(優(yōu)先級1)請求道信號量1后對真正的語言信號進行特征提取；當任務0檢測到語音信號結束端時發(fā)送信號量2，任務2(優(yōu)先級2)獲得信號量2后利用DWT算法對語音信號進行識別并顯示到LCD屏上。
    測試結果表明，改進后的系統(tǒng)抗干擾能力、穩(wěn)定性和安全性均大大增強，并且系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行很長時間，沒有出現(xiàn)任何問題，可見系統(tǒng)移植成功。

結語
    改進后的系統(tǒng)，內(nèi)存的使用沒有增加，只是增加了很小的系統(tǒng)開銷；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。該方法可廣泛應用于對系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性要求比較高的場合。