Cortex-M可以跑Linux操作系統(tǒng)嗎？
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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-MARM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。
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MMUMMU：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，并在硬件層對內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查。
在Linux等多用戶、多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，MMU使得各個(gè)用戶進(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(chǔ)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。?圖3 內(nèi)存管理機(jī)制
注：上圖僅簡單反映內(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)程中訪問任何地址都不可能訪問到另外一個(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)存訪問都不會(huì)意外改寫其它進(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(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。?圖4 shell 1中的bash地址
我們打開另一個(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來做。
?圖5 shell 2中的bash地址
既然是多進(jìn)程依賴了內(nèi)存管理單元，那么在使用嵌入式Linux時(shí)只開一個(gè)進(jìn)程可以嗎？肯定是不可行的！開機(jī)后即使用戶什么都不做，可見的系統(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。?圖6 進(jìn)程樹
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(qiáng)的依賴，若在沒有內(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(shí)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。
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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-MARM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(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下的處理器沒有內(nèi)存管理單元MMU。
內(nèi)存管理單元MMUMMU：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，并在硬件層對內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查。
在Linux等多用戶、多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，MMU使得各個(gè)用戶進(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(chǔ)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。?圖3 內(nèi)存管理機(jī)制
注：上圖僅簡單反映內(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)程中訪問任何地址都不可能訪問到另外一個(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)存訪問都不會(huì)意外改寫其它進(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(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。?圖4 shell 1中的bash地址
我們打開另一個(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來做。
?圖5 shell 2中的bash地址
既然是多進(jìn)程依賴了內(nèi)存管理單元，那么在使用嵌入式Linux時(shí)只開一個(gè)進(jìn)程可以嗎？肯定是不可行的！開機(jī)后即使用戶什么都不做，可見的系統(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。?圖6 進(jìn)程樹
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(qiáng)的依賴，若在沒有內(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(shí)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。
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