Cortex-M跑Linux操作系統(tǒng)能行嗎

單片機、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似這樣的疑問，下面圍繞Cortex-M、 ARM、 Linux來講講相關(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)的修改都會添加實用技術(shù)。

在ARMv6之前，其內(nèi)核指令集架構(gòu)都是單一款式，但在ARMv7開始，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：主要指實時性處理器；

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)存管理單元主要負責(zé)從虛擬地址到物理地址的映射，并在硬件層對內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查。

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

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

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

1.在沒有內(nèi)存管理的處理器中，虛擬地址被直接發(fā)送到內(nèi)存總線上，以讀寫該地址下的物理存儲器。

這里拓展閱讀：無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)存總線上。

注：上圖僅簡單反映內(nèi)存管理的映射機制，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進程有獨立的地址空間。

不同進程中的同一個虛擬地址被MMU映射到不同的物理地址，并且在某一個進程中訪問任何地址都不可能訪問到另外一個進程的數(shù)據(jù)，這樣使得任何一個進程由于執(zhí)行錯誤指令或惡意代碼導(dǎo)致的非法內(nèi)存訪問都不會意外改寫其它進程的數(shù)據(jù)，不會影響其它進程的運行，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

另一方面，每個進程都認為自己獨占整個虛擬地址空間，這樣鏈接器和加載器的實現(xiàn)會比較容易，不必考慮各進程的地址范圍是否沖突。

Liunx操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)通常分為實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)。

1.實時操作系統(tǒng)大多為單進程、多線程（多任務(wù)），因此不涉及到線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)屬于非實時性操作體統(tǒng)，多進程是其主要特點，可以參考文章：Linux是實時系統(tǒng)還是分時操作系統(tǒng)？

以Ubuntu為例，打開一個shell并且查看bash進程的地址范圍如圖4，它的地址范圍為0x0000000000400000~0xffffffffff600000。

圖4 shell 1中的bash地址

我們打開另一個shell，查看該shell中bash進程的地址范圍，如圖5。不難發(fā)現(xiàn)，兩個不同bash進程的地址范圍完全相同。其實操作系統(tǒng)或者用戶在fork（）進程時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來做。

既然是多進程依賴了內(nèi)存管理單元，那么在使用嵌入式Linux時只開一個進程可以嗎？肯定是不可行的！開機后即使用戶什么都不做，可見的系統(tǒng)運行必須的進程已經(jīng)運行了幾十至上百個，如圖6。

總結(jié)

通過上述描述我們可以知道，Linux操作系統(tǒng)對MMU（內(nèi)存管理單元）有極強的依賴，若在沒有內(nèi)存管理單元的CPU中運行Linux，恐怕整個系統(tǒng)只能停留在Uboot階段了。

由于ARM的Cortex-M處理器沒有內(nèi)存管理單元，，一般來說不建議跑Linux操作系統(tǒng)。

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

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

素材來源 | 致遠電子

編排 | strongerHuang

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