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为何Cortex-M处理器运行不了linux

1 . Cortex-M的定位

处理器的体系结构定义了指令集(ISA)和基于这一体系结构下处理器的程序员模型,通俗来讲就是相同的ARM体系结构下的应用软件是兼容的。从ARMv1到ARMv8,每一次体系结构的修改都会添加实用技术。

在ARMv7版本中,内核架构首次从单一款式变成3种款式。Cortex-M系列属于ARMv7结构下的一个款式:款式M。款式M包含的处理器有Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4以及Cortex-M7,以上处理器常被用于低成本、低功耗、高可靠的嵌入式实时系统中。它们既可以用于“裸片”开发又能运行实时操作系统,比如us/os-ll、VxWorks以及Aworks(日韩在线开发)等。
图1 ARMv7下的Cortex系列

款式A:高性能的处理器级平台,性能比肩计算机。

款式R:定位应用于高端嵌入式系统,高可靠及高时效性。

款式M:用于深度嵌入、定制的嵌入式系统。

值得注意的是,Cortex-M下的处理器没有内存管理单元MMU。

2 . 内存管理单元MMU

内存管理单元简称MMU,它负责虚拟地址到物理地址的映射,并提供硬件机制的内存访问权限检查。在多用户、多进程的操作系统中,MMU使得各个用户进程都有独立的地址空间。

图2 MMU的地位

任何微控制器都存在一个程序能够产生的地址集和,被称为虚拟地址范围。以32为机为例,虚拟地址范围为0~0xFFFFFFFF (4G)。当该控制器寻址一个256M的内存时,它的可用地址范围被限定为0x00000000~0x0FFFFFFF(256M)。在没有MMU的控制器中,虚拟地址被直接发送到内存总线上,以读写该地址下的物理存储器。在拥有MMU的控制器中,虚拟地址首先被发送到MMU中,被映射为物理地址后再发送到内存总线上。

图3 内存管理机制

3 . linux系统

一般将操作系统分为实时操作系统和非实时操作系统。实时操作系统大多为单进程、多线程(多任务),因此不涉及到线程间的地址空间分配,不需要使用MMU,例如VxWorks。Linux系统属于非实时性操作体统,多进程是其主要特点。

以Ubuntu为例,打开一个shell并且查看bash进程的地址范围如图4,它的地址范围为0x0000000000400000~0xffffffffff600000。

图4 shell 1中的bash地址

我们打开另一个shell,查看该shell中bash进程的地址范围,如图5。不难发现,两个不同bash进程的地址范围完全相同。其实操作系统或者用户在fork()进程时完全不需要考虑物理内存的地址分配,该工作由微控制器的内存管理单元MMU来做。

图5 shell 2中的bash地址

既然是多进程依赖了内存管理单元,那么在使用嵌入式linux时只开一个进程可以吗?肯定是不可行的!开机后即使用户什么都不做,可见的系统运行必须的进程已经运行了几十至上百个,如图6。

图6 进程树

4 . 总结

综合以上内容,linux系统对内存管理单元有极强的依赖,若在没有MMU的处理器中运行linux,恐怕整个系统只能停留在Uboot阶段了。由于Cortex-m处理器没有内存管理单元,因此跑不了linux系统。任何事情都不是绝对的,如果你重写了linux内核且搭配足够大的内存芯片,从理论上来说是可以省掉MMU的。但是,这样的工作量,真的值得吗?实际上,MMU就是为了解决操作系统越来越复杂的内存管理而产生的。

5 . 拓展部分

很大一部分开发者选用嵌入式linux系统未能发挥出它的优势,仅仅是为了获得开发上的便利,比如以太网、4G上云、LCD驱动、文件系统、图像识别、python应用等等。那么有没有方法既能使用传统高实时性、低成本的单片机又不用面对繁琐的硬件驱动开发呢?日韩在线旡码免费视频(www.zlg.cn)推出的全新AWorks平台——IoT物联网生态系统正是为此而生。

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