RISC-V PMA、PMP机制深入分析

1 PMA

PMA（Physical Memory Attributes），物理内存属性，顾名思义就是用来设置物理内存属性的，但这里说“设置”，并不合理，因为一般情况下各存储的属性，在芯片设计时就固定了，不可动态修改。

1.1 属性定义

PMA定义了物理内存区域的以下静态属性：

缓存行为（Cacheable/Non-Cacheable）：决定数据是否可被缓存。
原子操作支持（Atomics）：是否允许使用LR/SC指令进行原子操作。
可执行权限（Execute Permission）：是否允许执行指令。

例如，外设寄存器通常配置为Non-Cacheable且禁止执行，避免缓存干扰硬件交互；主内存（如RAM）则多设为Cacheable以提升性能。

另外，一般PMA属性在芯片设计时固化，无法通过软件动态修改，需通过硬件逻辑直接实现。这种设计保证了关键内存区域（如外设）行为的确定性，避免运行时误操作。

1.2 SiFive U74 PMA

下图是SiFive U74的内存映射和PMA
在这里插入图片描述
前面说PMA一般情况下不可修改，实际上芯来科技的设计内核架构提供了一组mattri[i]_base、mattri[i]_mask（'i’指编号），可以让软件来修改PMA，但这里也有规则，有优先级顺序，即只能从低优先级修改成高优先级属性（感兴趣可以自行查找芯来RISC-V ISA spec）

2 PMP

2.1 简介

PMP（Physical Memory Protection）物理内存保护。

RISC-V特权模式及切换，有介绍过RISC-V的特权模式，如何限制各特权的访问权限呢，实现安全隔离呢？这里就需要PMP来提供了。

PMP可以提供安全处理和故障隔离功能，对现代处理器来说是非常重要的。PMP 机制适用于所有特权模式为 S 或 U 的指令和数据访问，通过在 M 态下修改每个 hart 对应的控制寄存器，可以指定每个物理内存区域的读、写和执行等访问权限。此外，PMP 机制也可用于 S 态中的页表访问。违反 PMP 机制的访存将被处理器捕获并触发异常

核心功能：
- 负责隔离S/U模式下的内存访问，可通过RISC-V可信固件在M-mode下动态配置S/U模式下程序的读、写和执行权限。
- 用于保护安全外设IO，可以通过约束控制设备控制器MMIO地址空间的访问权限来实现。
- 对于安全域共同访问的共享内存，可以通过将该共享内存分配给不同安全域来实现。
- 当HART进行安全域切换时，RISC-V可信固件通过PMP为目标安全域分配可访问的系统资源，这可以通过在M-mode下操作PMP配置表和地址表进行管理。
物理内存保护机制：
- 通过配置寄存器pmpcfg和地址寄存器pmpaddr，来定义内存区域访问权限
- 一个配置寄存器和一个地址寄存器组成一个PMP表项(entry)，每一个entry对应一段物理地址的范围和权限（R/W/X），一般硬件对表项数量有要求，通常为8或者16，最大64

2.2 配置规则

pmpcfg寄存器

pmpcfg<x>寄存器用于指定 PMP 表项的权限配置寄存器，每个pmpcfg<x>寄存器可以管理四个PMP 表项目
在这里插入图片描述
每个表项的权限配置寄存器 pmp<x>cfg 中各控制位域：

域	位	描述
R	0	控制数据可读权限： - 1：地址区间可读 - 0：地址区间不可读
W	1	控制数据可写权限： - 1：地址区间可写 - 0：地址区间不可写
X	2	控制代码可执行权限： - 1：地址区间可执行 - 0：地址区间不可执行
A	4:3	控制地址区间模式（详见下表）
Reserved	6:5	未使用域（固定为0）
L	7	控制PMP表项锁定： - 1：锁定表项 - 0：不锁定表项

每个表项的权限配置寄存器 pmp<x>cfg 中的“A”比特域（第 4~3 位）用于控制该表项的地
址区间模式，其编码和模式的含义：

A	名称	描述
0	OFF	空模式，即：没有配置此表项
1	TOR	紧邻下一边界即区域 X 的结束地址紧邻下一区域的基地址寄存器 pmpaddrX 的值举例：pmpcfg0设置为TOR，则受保护为[pmpaddr0,pmpaddr1]
2	NA4	4 个字节大小的区域（地址对齐）
3	NAPOT	2 的幂次方大小的区域（区域大小起码大于等于 8 个字节，并且地址对齐）

其中：

NA4：Naturally Aligned 4-byte
NAPOT：Naturally Aligned Power-of-Two
L域中L=1表示PMP entry会被锁定，意味着此时写PMP寄存器和地址寄存器会被忽略。

pmpaddr

保护地址至少四字节对齐，所以在RV32的cfgaddr里写保护地址的[33:2]
在这里插入图片描述

保护机制如下：

1、pmpcfg.A=2（NA4模式）

定义保护一个4字节对齐的连续地址，若此时pmpaddr0 = 0x20000，则保护0x20000-0x20003。一般用来包含单个寄存器或者单字数据。

2、pmpcfg.A=3（NAPOT模式）

定义保护一个2的幂次方对齐的连续区域，具体由pmpaddr0的低位连续1的个数决定。

如下图所示：

将pmpaddr的值转换成二进制，从低位开始统计连续1的数量（计为n）。则保护区域大小为2^(n+3)字节。
示例：pmpaddr的值为yyyy…y01111，则保护区域大小为：2^(4+3) = 128byte。假如此时pmpaddr0 = 0x2000F，
则保护0x20000-0x2007F。
在这里插入图片描述

优先级及原子性说明：

1、优先级机制
PMP 条目间采用静态优先级，当区间重叠时，编号小的条目优先级更高。匹配到访问中任何字节的最低编号的 PMP 条目决定本次访问是成功还是失败。
2、原子性
匹配的 PMP 条目必须包含访问的所有字节，否则无论 L、R、W 和 X 位的值是什么，访问都将失败。例如，如果一个 PMP 条目被配置为匹配 4 字节区域 0xC–0xF，且为最高优先级条目，那么对区域 0x8–0xF 的 8 字节访问将失败。

RV64说明：

另外上面的配置是针对RV32，对于RV64，每个pmpcfg<x>寄存器，包含8个entry，所以只需要 8 个 CSR 寄存器即可实现与RV32的相同功能。为了与 RV32 保持一致，并降低软件支持成本，RV64 中的 CSR 寄存器编号均为偶数，即 pmpcfg0，pmpcfg2，...，pmpcfg14，奇数编号的寄存器是非法的
在这里插入图片描述
pmpaddr，bit[63:54]固定为0，bit[53:0]用于存储地址信息，保护机制同RV32，类比即可，不再举例说明。

NOTE：

WARL（Write Any Read Legal）

2.3 配置code

OpenSBI（opensbi/lib/sbi/sbi_hart.c）

int sbi_hart_pmp_configure(struct sbi_scratch *scratch)
{
    int rc;
    unsigned int pmp_bits, pmp_log2gran;
    // 获取当前硬件线程(hart)支持的PMP区域数量
    unsigned int pmp_count = sbi_hart_pmp_count(scratch);
    unsigned long pmp_addr_max;

    // 如果硬件不支持PMP，则直接返回0（无需配置）
    if (!pmp_count)
        return 0;

    // 获取PMP的粒度（对齐单位），以2的对数值表示（如4表示16字节对齐）
    pmp_log2gran = sbi_hart_pmp_log2gran(scratch);
    // 计算PMP地址寄存器的有效位数（规范定义为实际位数减1）
    pmp_bits = sbi_hart_pmp_addrbits(scratch) - 1;
    // 计算PMP支持的最大物理地址：(2^(pmp_bits+1) - 1
    pmp_addr_max = (1UL << pmp_bits) | ((1UL << pmp_bits) - 1);

    // 根据是否支持SMEPMP扩展选择不同的配置函数
    if (sbi_hart_has_extension(scratch, SBI_HART_EXT_SMEPMP))
        // 使用增强型PMP(SMEPMP)配置
        rc = sbi_hart_smepmp_configure(scratch, pmp_count,
                        pmp_log2gran, pmp_addr_max);
    else
        // 使用传统PMP配置
        rc = sbi_hart_oldpmp_configure(scratch, pmp_count,
                        pmp_log2gran, pmp_addr_max);

    /*
     * 特权规范v1.12第3.7.节要求：
     * 1. 内存访问可能被预取执行，地址翻译可能被缓存
     * 2. CPU热插拔/非保持性挂起会丢失PMP状态
     * 3. 需要刷新缓存以保证PMP配置立即生效
     */
    // 检查是否支持监管模式(S-mode)
    if (misa_extension('S')) {
        // 刷新当前硬件线程的TLB和地址翻译缓存
        __asm__ __volatile__("sfence.vma");
        
        // 如果支持Hypervisor扩展(H-mode)
        if (misa_extension('H'))
            // 额外刷新所有Guest模式的地址翻译缓存
            __sbi_hfence_gvma_all();
    }

    // 返回PMP配置结果（0=成功，非0=错误）
    return rc;
}

此函数是 RISC-V 安全引导流程（如 OpenSBI）的核心部分，负责：

初始化物理内存保护（PMP）机制。
根据硬件特性选择传统或增强型配置。
确保 PMP 生效后内存访问的安全性。

3 PMA与PMP的协同规则

在RISC-V架构中，PMA（物理内存属性）和PMP（物理内存保护）是两种不同的机制，它们共同作用于物理内存访问的控制。PMA定义了内存区域的固有属性（如是否可缓存、是否可执行等），而PMP则提供了基于特权模式的访问控制（如用户模式是否可以读写某区域）。二者通过静态属性与动态权限叠加进行内存访问保护，下面简单介绍下协同工作的规则

3.1 协同规则

PMP的权限约束需基于PMA的属性定义

PMP（物理内存保护）的访问控制规则仅在 PMA（物理内存属性）允许的权限范围内有效。例如，若 PMA 将某内存区域标记为不可执行（Non-Executable），即使 PMP 配置为允许执行（Execute），对该区域的执行访问仍会触发异常。这是因为 PMA 是更底层的硬件保护机制，决定了内存的物理属性（如可执行性、缓存策略），而 PMP 只能在此基础上叠加权限限制。

外设寄存器的联合保护机制

对于设备内存（如外设寄存器），PMA 通过设置不可缓存（Non-Cacheable）属性确保直接访问硬件寄存器，而 PMP 则进一步通过权限配置（如仅允许 M-mode 读写）防止用户程序（U-mode/S-mode）误操作硬件。这种 PMA 属性定义与 PMP 权限控制的协同设计，既能保障硬件访问的可靠性，又能防止越权访问引发的安全风险。