單片機、Cortex-M、Linux它們和嵌入式有什么區別？

跑 Linux 操作系統需要什么處理器？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來講講相關內容。

ARM和Cortex-M

ARM處理器的體系結構定義了指令集（ISA）和基于這一體系結構下處理器的模型。ARM的指令集從ARMv1發展到今天的ARMv9，每一次體系結構的修改都會添加實用技術。

在ARMv6之前，其內核指令集架構都是單一款式，但在ARMv7開始，其指令集架構變成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之間的關聯。

值得注意的是，Cortex-M下的處理器沒有內存管理單元MMU。

內存管理單元MMU

MMU：Memory Management Unit，內存管理單元。

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

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

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）。

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

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

這里拓展閱讀：無MMU搶占式操作系統的搶占工作原理

2.在有內存管理的控制器中，虛擬地址首先被發送到MMU中，被映射為物理地址后再發送到內存總線上。

MMU虛擬內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據，這樣使得任何一個進程由于執行錯誤指令或惡意代碼導致的非法內存訪問都不會意外改寫其它進程的數據，不會影響其它進程的運行，從而保證整個系統的穩定性。

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

操作系統通常分為實時操作系統和非實時操作系統。

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

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。不難發現，兩個不同bash進程的地址范圍完全相同。其實操作系統或者用戶在fork（）進程時完全不需要考慮物理內存的地址分配，該工作由微控制器的內存管理單元MMU來做。

圖5 shell 2中的bash地址

既然是多進程依賴了內存管理單元，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，可見的系統運行必須的進程已經運行了幾十至上百個，如圖6。

圖6 進程樹

總結

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

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

當然，任何事情都不是絕對的，如果你重寫了Linux內核且搭配足夠大的內存芯片，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越來越復雜的內存管理而產生的。

素材來源 | 致遠電子

編排 | strongerHuang

編輯：jq