STM32是一款單片機(jī)，它由意法半導(dǎo)體公司制造。ST是意法半導(dǎo)體的簡(jiǎn)稱，M是指微控制器(也就是單片機(jī)的)MCU的第一個(gè)英文字母，32是指32位的CPU，它的CPU是采用的ARM公司的Cortex-M系列的內(nèi)核設(shè)計(jì)。

1. Cortex-M 的定位

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)。

圖1 Armv7下的Cortex系列

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。

款式A：高性能的處理器級(jí)平臺(tái)，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(shí)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。

2. 內(nèi)存管理單元 MMU

內(nèi)存管理單元簡(jiǎn)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(gè)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(gè)程序能夠產(chǎn)生的地址集合，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(gè)256M的內(nèi)存時(shí)，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(chǔ)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

3. Linux系統(tǒng)

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

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

4. 總結(jié)

綜合以上內(nèi)容，linux系統(tǒng)對(duì)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(gè)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(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。

審核編輯：湯梓紅