單片機與應用處理器的核心區(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、高可靠的嵌入式實時系統(tǒng)中。它們既可以用于“裸片”開發(fā)又能運行實時操作系統(tǒng)，比如us/os-ll、VxWorks以及Aworks(致遠電子開發(fā))等。

圖1 ARMv7下的Cortex系列

● 款式A：高性能的處理器級平臺，性能比肩計算機。

● 款式R：定位應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，它負責虛擬地址到物理地址的映射，并提供硬件機制的內(nèi)存訪問權(quán)限檢查。在多用戶、多進程的操作系統(tǒng)中，MMU使得各個用戶進程都有獨立的地址空間。

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為機為例，虛擬地址范圍為0~0xFFFFFFFF (4G)。當該控制器尋址一個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)存管理機制

注：上圖僅簡單反映內(nèi)存管理的映射機制，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程有獨立的地址空間。不同進程中的同一個虛擬地址被MMU映射到不同的物理地址，并且在某一個進程中訪問任何地址都不可能訪問到另外一個進程的數(shù)據(jù)，這樣使得任何一個進程由于執(zhí)行錯誤指令或惡意代碼導致的非法內(nèi)存訪問都不會意外改寫其它進程的數(shù)據(jù)，不會影響其它進程的運行，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，每個進程都認為自己獨占整個虛擬地址空間，這樣鏈接器和加載器的實現(xiàn)會比較容易，不必考慮各進程的地址范圍是否沖突。

三、linux系統(tǒng)

一般將操作系統(tǒng)分為實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)大多為單進程、多線程(多任務)，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)屬于非實時性操作體統(tǒng)，多進程是其主要特點。

以Ubuntu為例，打開一個shell并且查看bash進程的地址范圍如圖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進程的地址范圍，如圖5。不難發(fā)現(xiàn)，兩個不同bash進程的地址范圍完全相同。其實操作系統(tǒng)或者用戶在fork()進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時只開一個進程可以嗎?肯定是不可行的!開機后即使用戶什么都不做，可見的系統(tǒng)運行必須的進程已經(jīng)運行了幾十至上百個，如圖6。

圖6 進程樹

四、總結(jié)

綜合以上內(nèi)容，linux系統(tǒng)對內(nèi)存管理單元有極強的依賴，若在沒有MMU的處理器中運行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?實際上，MMU就是為了解決操作系統(tǒng)越來越復雜的內(nèi)存管理而產(chǎn)生的。