詳細(xì)講解MMU：為什么嵌入式linux沒(méi)他不行？

MMU內(nèi)存管理

MMU（Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元）是一種硬件模塊，用于在CPU和內(nèi)存之間實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。

其主要功能是將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，同時(shí)提供訪問(wèn)權(quán)限的控制和緩存管理等功能。MMU是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中重要的組成部分，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

在內(nèi)存管理方面，MMU可以通過(guò)頁(yè)面表（Page Table）實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。頁(yè)面表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄了每個(gè)虛擬頁(yè)面和其對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面之間的映射關(guān)系。

當(dāng)CPU發(fā)出一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU會(huì)通過(guò)頁(yè)面表查找并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址。

此外，MMU還可以通過(guò)頁(yè)面表實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)和共享等功能，從而提高系統(tǒng)的安全性和效率。

總之，MMU是內(nèi)存管理中一個(gè)重要的硬件組件，可以實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理、內(nèi)存保護(hù)、共享和緩存等功能，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提供支持。

· 舉個(gè)例子

假設(shè)我們有一個(gè)程序，它需要訪問(wèn)兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域：一個(gè)是只讀的代碼區(qū)域，一個(gè)是可讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)區(qū)域。

我們現(xiàn)在想要在一個(gè)沒(méi)有 MMU 的系統(tǒng)上運(yùn)行這個(gè)程序。如果沒(méi)有 MMU，代碼區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域就只能被映射到兩個(gè)固定的物理地址上。這就意味著，如果程序嘗試訪問(wèn)一個(gè)不正確的地址，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

現(xiàn)在，如果我們?cè)谝粋€(gè)具有 MMU 的系統(tǒng)上運(yùn)行這個(gè)程序，情況會(huì)有所不同。MMU 可以將程序嘗試訪問(wèn)的地址映射到不同的物理地址，這樣可以使得代碼區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域在物理內(nèi)存中不再是固定的位置。

這意味著，如果程序嘗試訪問(wèn)不正確的地址，MMU 可以通過(guò)重新映射來(lái)保護(hù)系統(tǒng)不崩潰。

MMU 還可以將多個(gè)虛擬地址映射到同一個(gè)物理地址上，這就是所謂的頁(yè)共享（page sharing），可以減少物理內(nèi)存的使用。

如果沒(méi)有MMU，程序訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)只能使用物理地址，而物理地址是直接映射到內(nèi)存芯片上的地址，程序可以隨意訪問(wèn)任何一個(gè)物理地址。

這種情況下，程序如果訪問(wèn)了錯(cuò)誤的地址或試圖訪問(wèn)未被授權(quán)的地址，就會(huì)產(chǎn)生訪問(wèn)錯(cuò)誤或非法訪問(wèn)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。

而有了MMU，程序訪問(wèn)的是虛擬地址，由MMU負(fù)責(zé)將虛擬地址映射到物理地址上，這樣程序就無(wú)法直接訪問(wèn)物理地址。

同時(shí)，MMU可以根據(jù)內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限來(lái)限制程序?qū)?nèi)存的訪問(wèn)，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

因此，沒(méi)有MMU時(shí)，程序可能會(huì)訪問(wèn)到其他地址，而有了MMU，程序只能訪問(wèn)被允許訪問(wèn)的地址，可以有效地避免非法訪問(wèn)的問(wèn)題。

· 為什么相同的虛擬地址空間在物理地址不會(huì)發(fā)生沖突呢？

相同的虛擬地址空間在不同的進(jìn)程中可能會(huì)映射到不同的物理地址，這個(gè)映射的過(guò)程是由MMU完成的。在操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的虛擬地址空間，且這些虛擬地址空間互不干擾。

MMU會(huì)將每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址映射到對(duì)應(yīng)的物理地址上，使得不同進(jìn)程間的內(nèi)存訪問(wèn)不會(huì)相互干擾。同時(shí)，MMU也會(huì)提供一些安全機(jī)制，如頁(yè)面保護(hù)等，來(lái)防止進(jìn)程越界訪問(wèn)內(nèi)存或訪問(wèn)其他進(jìn)程的內(nèi)存。

因此，MMU起到了保護(hù)進(jìn)程間內(nèi)存互不干擾的作用，也是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要組成部分。

02

頁(yè)表是什么？

頁(yè)表是一種用于存儲(chǔ)虛擬內(nèi)存地址與物理內(nèi)存地址映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在使用虛擬內(nèi)存的系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，而這些虛擬地址空間被分割成許多頁(yè)（通常大小為4KB或更大），而不是一整塊連續(xù)的內(nèi)存。

因此，當(dāng)進(jìn)程需要訪問(wèn)某個(gè)虛擬地址時(shí)，需要將其翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址。這個(gè)翻譯過(guò)程就是通過(guò)頁(yè)表來(lái)完成的。

頁(yè)表的基本原理是將虛擬地址劃分成一個(gè)頁(yè)號(hào)和一個(gè)偏移量。

頁(yè)號(hào)用于在頁(yè)表中查找對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)幀號(hào)，而偏移量則用于計(jì)算該虛擬地址在物理頁(yè)幀中的偏移量。通過(guò)這種方式，就可以將虛擬地址映射到物理地址，使得進(jìn)程可以訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域。

頁(yè)表一般由操作系統(tǒng)來(lái)維護(hù)，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要掌握虛擬地址和物理地址之間的映射關(guān)系。

在使用MMU（Memory Management Unit）的硬件支持的系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)虛擬地址時(shí)，MMU會(huì)通過(guò)頁(yè)表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，并將訪問(wèn)指向正確的物理地址。這樣，進(jìn)程就可以在不知道自己真實(shí)物理地址的情況下訪問(wèn)內(nèi)存。

· 為什么沒(méi)有MMU就無(wú)法運(yùn)行Linux系統(tǒng)？

這是因?yàn)?Linux 內(nèi)核將虛擬地址空間分為多個(gè)頁(yè)面，并將這些頁(yè)面映射到物理地址空間上，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存隔離、保護(hù)和虛擬內(nèi)存等功能。

沒(méi)有 MMU，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種映射，從而無(wú)法運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)。

· 為什么有些較為簡(jiǎn)單的SOC可能沒(méi)有MMU，但仍然可以運(yùn)行一些嵌入式操作系統(tǒng)或者裸機(jī)程序？

RTOS可以運(yùn)行在沒(méi)有MMU的系統(tǒng)上，因?yàn)镽TOS通常不需要進(jìn)行內(nèi)存保護(hù)和虛擬地址映射等高級(jí)特性。

相反，RTOS的設(shè)計(jì)側(cè)重于實(shí)時(shí)性和低延遲，因此通常只需要簡(jiǎn)單的內(nèi)存管理和任務(wù)調(diào)度即可。

這使得RTOS可以運(yùn)行在許多嵌入式系統(tǒng)上，包括一些沒(méi)有MMU的系統(tǒng)。