MMU 對(duì)于 linux 的重要性

嵌入式專欄

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MMU：Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元。搞嵌入式開發(fā)的小伙伴都應(yīng)該了解并掌握的一項(xiàng)知識(shí)。
你肯定會(huì)好奇，為什么RTOS可以不用MMU，而linux沒它卻不行？
什么是MMU？
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可以通過頁面表（Page Table）實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。頁面表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄了每個(gè)虛擬頁面和其對(duì)應(yīng)的物理頁面之間的映射關(guān)系。

當(dāng)CPU發(fā)出一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU會(huì)通過頁面表查找并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址。此外，MMU還可以通過頁面表實(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�？傊�，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)是可讀寫的數(shù)據(jù)區(qū)域。我們現(xiàn)在想要在一個(gè)沒有 MMU 的系統(tǒng)上運(yùn)行這個(gè)程序。如果沒有 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，如果程序嘗試訪問不正確的地址，MMU 可以通過重新映射來保護(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，這就是所謂的頁共享（page sharing），可以減少物理內(nèi)存的使用。

如果沒有MMU，程序訪問內(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，程序可以隨意訪問任何一個(gè)物理地址。這種情況下，程序如果訪問了錯(cuò)誤的地址或試圖訪問未被授權(quán)的地址，就會(huì)產(chǎn)生訪問錯(cuò)誤或非法訪問，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等問題。而有了MMU，程序訪問的是虛擬地址，由MMU負(fù)責(zé)將虛擬地址映射到物理地址上，這樣程序就無法直接訪問物理地址。同時(shí)，MMU可以根據(jù)內(nèi)存訪問權(quán)限來限制程序?qū)��?nèi)存的訪問，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，沒有MMU時(shí)，程序可能會(huì)訪問到其他地址，而有了MMU，程序只能訪問被允許訪問的地址，可以有效地避免非法訪問的問題。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，如頁面保護(hù)等，來防止進(jìn)程越界訪問內(nèi)存或訪問其他進(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。頁表是什么？頁表是一種用于存儲(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（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)翻譯過程就是通過頁表來完成的。頁表的基本原理是將虛擬地址劃分成一個(gè)頁號(hào)和一個(gè)偏移量。頁號(hào)用于在頁表中查找對(duì)應(yīng)的物理頁幀號(hào)，而偏移量則用于計(jì)算該虛擬地址在物理頁幀中的偏移量。通過這種方式，就可以將虛擬地址映射到物理地址，使得進(jìn)程可以訪問對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域。頁表一般由操作系統(tǒng)來維護(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)程訪問虛擬地址時(shí)，MMU會(huì)通過頁表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，并將訪問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內(nèi)存。
為什么沒有MMU就無法運(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)頁面，并將這些頁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。沒有 MMU，就無法實(shí)現(xiàn)這種映射，從而無法運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)。為什么有些較為簡單的SOC可能沒有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，包括一些沒有MMU的系統(tǒng)。
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