單片機(jī)、Cortex-M與Linux和嵌入式有什么區(qū)別

單片機(jī)、Cortex-M、Linux它們和嵌入式有什么區(qū)別？

跑 Linux 操作系統(tǒng)需要什么處理器？ARM9、ARM11？

Cortex-M比ARM9更新，為什么不能跑Linux？

相信很多小伙伴都有類(lèi)似這樣的疑問(wèn)，下面圍繞Cortex-M、 ARM、 Linux來(lái)講講相關(guān)內(nèi)容。

ARM和Cortex-M

ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)定義了指令集（ISA）和基于這一體系結(jié)構(gòu)下處理器的模型。ARM的指令集從ARMv1發(fā)展到今天的ARMv9，每一次體系結(jié)構(gòu)的修改都會(huì)添加實(shí)用技術(shù)。

在A(yíng)RMv6之前，其內(nèi)核指令集架構(gòu)都是單一款式，但在A(yíng)RMv7開(kāi)始，其指令集架構(gòu)變成3種款式，即目前大家熟知的Cotex-M、 Cotex-R、 Cotex-A，或者ARMv7-A、ARMv7-R、 ARMv7-M這三款。

Cotex-M：主要指微處理器；

Cotex-R：主要指實(shí)時(shí)性處理器；

Cotex-A：主要指應(yīng)用型處理器；

更多介紹可以參看文章：STM32、Cortex-M3和ARMv8-M之間的關(guān)聯(lián)。

值得注意的是，Cortex-M下的處理器沒(méi)有內(nèi)存管理單元MMU。

內(nèi)存管理單元MMU

MMU：Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元。

內(nèi)存管理單元主要負(fù)責(zé)從虛擬地址到物理地址的映射，并在硬件層對(duì)內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的檢查。

在Linux等多用戶(hù)、多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，MMU使得各個(gè)用戶(hù)進(jìn)程都有獨(dú)立的地址空間，以防止內(nèi)存越界。

圖2 MMU的地位

MCU都有一個(gè)地址集和，被稱(chēng)為虛擬地址范圍。以Cortex-M 32為機(jī)為例，虛擬地址范圍為0 ~ 0xFFFFFFFF （4G地址空間）。

當(dāng)該控制器尋址一個(gè)256M的內(nèi)存時(shí)，它的可用地址范圍被限定為0 ~ 0x0FFFFFFF（256M）。

1.在沒(méi)有內(nèi)存管理的處理器中，虛擬地址被直接發(fā)送到內(nèi)存總線(xiàn)上，以讀寫(xiě)該地址下的物理存儲(chǔ)器。

這里拓展閱讀：無(wú)MMU搶占式操作系統(tǒng)的搶占工作原理

2.在有內(nèi)存管理的控制器中，虛擬地址首先被發(fā)送到MMU中，被映射為物理地址后再發(fā)送到內(nèi)存總線(xiàn)上。

圖3 內(nèi)存管理機(jī)制

注：上圖僅簡(jiǎn)單反映內(nèi)存管理的映射機(jī)制，其他暫不做討論。

MMU虛擬內(nèi)存管理最主要的作用是讓每個(gè)進(jìn)程有獨(dú)立的地址空間。

不同進(jìn)程中的同一個(gè)虛擬地址被MMU映射到不同的物理地址，并且在某一個(gè)進(jìn)程中訪(fǎng)問(wèn)任何地址都不可能訪(fǎng)問(wèn)到另外一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)，這樣使得任何一個(gè)進(jìn)程由于執(zhí)行錯(cuò)誤指令或惡意代碼導(dǎo)致的非法內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)都不會(huì)意外改寫(xiě)其它進(jìn)程的數(shù)據(jù)，不會(huì)影響其它進(jìn)程的運(yùn)行，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

另一方面，每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己獨(dú)占整個(gè)虛擬地址空間，這樣鏈接器和加載器的實(shí)現(xiàn)會(huì)比較容易，不必考慮各進(jìn)程的地址范圍是否沖突。

Liunx操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)通常分為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

1.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多為單進(jìn)程、多線(xiàn)程（多任務(wù)），因此不涉及到線(xiàn)程間的地址空間分配，不需要使用MMU，例如ucos、 FreeRTOS、 RT-Thread等。

2.Linux系統(tǒng)屬于非實(shí)時(shí)性操作體統(tǒng)，多進(jìn)程是其主要特點(diǎn)，可以參考文章：Linux是實(shí)時(shí)系統(tǒng)還是分時(shí)操作系統(tǒng)？

以Ubuntu為例，打開(kāi)一個(gè)shell并且查看bash進(jìn)程的地址范圍如圖4，它的地址范圍為0x0000000000400000~0xffffffffff600000。

我們打開(kāi)另一個(gè)shell，查看該shell中bash進(jìn)程的地址范圍，如圖5。不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同bash進(jìn)程的地址范圍完全相同。其實(shí)操作系統(tǒng)或者用戶(hù)在fork（）進(jìn)程時(shí)完全不需要考慮物理內(nèi)存的地址分配，該工作由微控制器的內(nèi)存管理單元MMU來(lái)做。

既然是多進(jìn)程依賴(lài)了內(nèi)存管理單元，那么在使用嵌入式Linux時(shí)只開(kāi)一個(gè)進(jìn)程可以嗎？肯定是不可行的！開(kāi)機(jī)后即使用戶(hù)什么都不做，可見(jiàn)的系統(tǒng)運(yùn)行必須的進(jìn)程已經(jīng)運(yùn)行了幾十至上百個(gè)，如圖6。

總結(jié)

通過(guò)上述描述我們可以知道，Linux操作系統(tǒng)對(duì)MMU（內(nèi)存管理單元）有極強(qiáng)的依賴(lài)，若在沒(méi)有內(nèi)存管理單元的CPU中運(yùn)行Linux，恐怕整個(gè)系統(tǒng)只能停留在Uboot階段了。

由于A(yíng)RM的Cortex-M處理器沒(méi)有內(nèi)存管理單元，，一般來(lái)說(shuō)不建議跑Linux操作系統(tǒng)。

當(dāng)然，任何事情都不是絕對(duì)的，如果你重寫(xiě)了Linux內(nèi)核且搭配足夠大的內(nèi)存芯片，從理論上來(lái)說(shuō)是可以省掉MMU的。

但是，這樣的工作量，真的值得嗎？實(shí)際上，MMU就是為了解決操作系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的內(nèi)存管理而產(chǎn)生的。

責(zé)任編輯：haq