為何Cortex-M處理器無法運(yùn)行l(wèi)inux

單片機(jī)與應(yīng)用處理器的核心區(qū)別到底是什么呢?是核心主頻的差異?還是Linux系統(tǒng)的支持?又或者是處理器的架構(gòu)?本文將以NXP的Cortex-M系列為例做簡要介紹。

一、Cortex-M的定位

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)下處理器的程序員模型，通俗來講就是相同的ARM體系結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用軟件是兼容的。從ARMv1到ARMv8，每一次體系結(jié)構(gòu)的修改都會添加實(shí)用技術(shù)。

在ARMv7版本中，內(nèi)核架構(gòu)首次從單一款式變成3種款式。Cortex-M系列屬于ARMv7結(jié)構(gòu)下的一個款式：款式M?？钍組包含的處理器有Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4以及Cortex-M7，以上處理器常被用于低成本、低功耗、高可靠的嵌入式實(shí)時系統(tǒng)中。它們既可以用于“裸片”開發(fā)又能運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)，比如us/os-ll、VxWorks以及Aworks(致遠(yuǎn)電子開發(fā))等。

圖1 ARMv7下的Cortex系列

● 款式A：高性能的處理器級平臺，性能比肩計(jì)算機(jī)。

● 款式R：定位應(yīng)用于高端嵌入式系統(tǒng)，高可靠及高時效性。

● 款式M：用于深度嵌入、定制的嵌入式系統(tǒng)。

值得注意的是，Cortex-M下的處理器沒有內(nèi)存管理單元MMU。

二、內(nèi)存管理單元MMU

內(nèi)存管理單元簡稱MMU，它負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址的映射，并提供硬件機(jī)制的內(nèi)存訪問權(quán)限檢查。在多用戶、多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，MMU使得各個用戶進(jìn)程都有獨(dú)立的地址空間。

圖2 MMU的地位

任何微控制器都存在一個程序能夠產(chǎn)生的地址集和，被稱為虛擬地址范圍。以32為機(jī)為例，虛擬地址范圍為0~0xFFFFFFFF (4G)。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0x00000000~0x0FFFFFFF(256M)。在沒有MMU的控制器中，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。在擁有MMU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，權(quán)限映射、TLB快表、頁表等概念不做深入討論。

虛擬內(nèi)存管理最主要的作用是讓每個進(jìn)程有獨(dú)立的地址空間。不同進(jìn)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(jìn)程中訪問任何地址都不可能訪問到另外一個進(jìn)程的數(shù)據(jù)，這樣使得任何一個進(jìn)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(jìn)程的數(shù)據(jù)，不會影響其它進(jìn)程的運(yùn)行，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，每個進(jìn)程都認(rèn)為自己獨(dú)占整個虛擬地址空間，這樣鏈接器和加載器的實(shí)現(xiàn)會比較容易，不必考慮各進(jìn)程的地址范圍是否沖突。

三、linux系統(tǒng)

一般將操作系統(tǒng)分為實(shí)時操作系統(tǒng)和非實(shí)時操作系統(tǒng)。實(shí)時操作系統(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VxWorks。Linux系統(tǒng)屬于非實(shí)時性操作體統(tǒng)，多進(jìn)程是其主要特點(diǎn)。

以Ubuntu為例，打開一個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時只開一個進(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，如圖6。

圖6 進(jìn)程樹

四、總結(jié)

綜合以上內(nèi)容，linux系統(tǒng)對內(nèi)存管理單元有極強(qiáng)的依賴，若在沒有MMU的處理器中運(yùn)行l(wèi)inux，恐怕整個系統(tǒng)只能停留在Uboot階段了。由于Cortex-m處理器沒有內(nèi)存管理單元，因此跑不了linux系統(tǒng)。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。