stm32可以跑Linux操作系统吗？

混说Linux 2022-12-12 11:32 1262浏览 0评论 0点赞

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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 Arm®v7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。