In this thesis, we integrate the memory subsystem, including cache and MMU¡]Memory Management Unit¡^ with the embedded 32 bits microprocessor SYS32TM-II to support the virtual memory mechanism of the operating system and make memory management effectively among multi-processes in the system. To provide the virtual to physical address translation with MMU and to improve the system performance with cache. We reuse the memory subsystem of the LEON2 SoC platform and design the communication interface to coordinate the processor core SYS32TM-II with the LEON2 memory subsystem, and modify the LEON2 memory subsystem to compatible with SYS32TM-II. After the integration of memory subsystem, a reusing cache for program address trace compression in real time is proposed. The advantage is that reusing cache with minor hardware modification can not only save the hardware compressor overhead but also obtain a high compression ratio. Experimental results show that the proposed approach causes few hardware area overhead but achieves approximately 90% compression ratio at real-time. Therefore, this thesis is the memory subsystem with parameterized design and with the ability to support system debugging. The role of the memory subsystem is not only to improve the system performance and to provide the hardware support requiring by the operating system, with minor modification, the memory susbsystem can also capture the dynamic program execution trace in parallel with microprocessor. The address trace compression mechanism will not effect the program execution and capable to compress at real-time.

In Verbindung mit eingebetteten Systemen spielte Sicherheit in der Vergangenheit eher eine untergeordnete Rolle. Im Vordergrund standen vorhersagbare Ausführungszeiten und der finanzielle Rahmen. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung und der Konzentration mehrerer Anwendungen auf einen Prozessor gewinnt dieser Gesichtspunkt jedoch stärker an Bedeutung. Der Blackfin-Prozessor des Herstellers Analog Devices, welcher die Konzepte von Mikrocontroller und digitalem Signalprozessor in sich vereint, entspricht diesem Trend, indem er die Möglichkeit des Speicherschutzes integriert. Das Betriebssystem uClinux wurde speziell auf die Bedürfnisse von eingebetteten Systemen angepasst, da es im Gegensatz zu Linux keinen virtuellen Speicher unterstützt. Es wurde zwar bereits auf die Architektur des Blackfin Prozessors portiert, verfügte jedoch bisher nicht über nennenswerte Mechanismen zum Schutz des Speichers. Der Hauptteil dieser Diplomarbeit besteht deshalb darin, Linux’ Speicherverwaltung zu analysieren, einen ähnlichen Ansatz in uClinux zu implementieren und schließlich den Einfluss auf die Leistung des Systems zu ermitteln. Die entstandene Realisierung schützt sowohl den Speicher einzelner Prozesse als auch den des Betriebssystemkerns. Obwohl die Lösung im Moment noch prototypischen Charakter besitzt, ist sie bereits voll funktionsfähig. Des Weiteren diskutiert die Arbeit auch den Ansatz des alleinigen Kernel-Schutzes und unterbreitet einen Vorschlag zur Verringerung der Interrupt-Latenzzeit. / In the past, embedded system’s security has been often omitted in order to trade it for system cost and more predictable execution timings. Due to the pressure induced by increased networking and multitasking, this issue is getting more important. Therefore, Analog Devices’ Blackfin processor, which combines capabilities of signal processing and controlling, additionally provides means for memory protection. The operating system uClinux, which is especially suitable for embedded systems because support for Virtual Memory has been removed, has already been ported to the Blackfin architecture, but still lacks support for memory protection. Thus, the main effort of this thesis consists of analysing Linux’s memory management, reimplementing similar approaches into the uClinux kernel, and measuring the resulting overhead. The implemented protection scheme does secure both particular processes and kernel space. Even if it is still in a prototypical state, memory protection is fully functional. In addition, approaches for exclusive kernel protection and reducing interrupt latency are discussed.

In Verbindung mit eingebetteten Systemen spielte Sicherheit in der Vergangenheit eher eine untergeordnete Rolle. Im Vordergrund standen vorhersagbare Ausführungszeiten und der finanzielle Rahmen. Aufgrund der zunehmenden Vernetzung und der Konzentration mehrerer Anwendungen auf einen Prozessor gewinnt dieser Gesichtspunkt jedoch stärker an Bedeutung. Der Blackfin-Prozessor des Herstellers Analog Devices, welcher die Konzepte von Mikrocontroller und digitalem Signalprozessor in sich vereint, entspricht diesem Trend, indem er die Möglichkeit des Speicherschutzes integriert. Das Betriebssystem uClinux wurde speziell auf die Bedürfnisse von eingebetteten Systemen angepasst, da es im Gegensatz zu Linux keinen virtuellen Speicher unterstützt. Es wurde zwar bereits auf die Architektur des Blackfin Prozessors portiert, verfügte jedoch bisher nicht über nennenswerte Mechanismen zum Schutz des Speichers. Der Hauptteil dieser Diplomarbeit besteht deshalb darin, Linux’ Speicherverwaltung zu analysieren, einen ähnlichen Ansatz in uClinux zu implementieren und schließlich den Einfluss auf die Leistung des Systems zu ermitteln. Die entstandene Realisierung schützt sowohl den Speicher einzelner Prozesse als auch den des Betriebssystemkerns. Obwohl die Lösung im Moment noch prototypischen Charakter besitzt, ist sie bereits voll funktionsfähig. Des Weiteren diskutiert die Arbeit auch den Ansatz des alleinigen Kernel-Schutzes und unterbreitet einen Vorschlag zur Verringerung der Interrupt-Latenzzeit. / In the past, embedded system’s security has been often omitted in order to trade it for system cost and more predictable execution timings. Due to the pressure induced by increased networking and multitasking, this issue is getting more important. Therefore, Analog Devices’ Blackfin processor, which combines capabilities of signal processing and controlling, additionally provides means for memory protection. The operating system uClinux, which is especially suitable for embedded systems because support for Virtual Memory has been removed, has already been ported to the Blackfin architecture, but still lacks support for memory protection. Thus, the main effort of this thesis consists of analysing Linux’s memory management, reimplementing similar approaches into the uClinux kernel, and measuring the resulting overhead. The implemented protection scheme does secure both particular processes and kernel space. Even if it is still in a prototypical state, memory protection is fully functional. In addition, approaches for exclusive kernel protection and reducing interrupt latency are discussed.