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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,？ 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。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。
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(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,。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 通過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，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(duì)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,。
來源：致遠(yuǎn)電子,，StrongerHuang
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