STM32是一款单片机,它由意法半导体公司制造。ST是意法半导体的简称,M是指微控制器(也就是单片机的)MCU的第一个英文字母,32是指32位的CPU,它的CPU是采用的ARM公司的Cortex-M系列的内核设计。
1. Cortex-M 的定位
ARM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模型。ARM的指令集从ARMv1发展到今天的ARMv9,每一次体系结构的修改都会添加实用技术。
图1 Armv7下的Cortex系列
在ARMv6之前,其内核指令集架构都是单一款式,但在ARMv7开始,其指令集架构变成3种款式,即目前大家熟知的Cotex-M、 Cotex-R、 Cotex-A,或者ARMv7-A、ARMv7-R、 ARMv7-M这三款。
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合,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系统,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。