MMU 對于 linux 的重要性

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MMU：Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元。搞嵌入式開發(fā)的小伙伴都應該了解并掌握的一項知識。
你肯定會好奇，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，同時提供訪問權限的控制和緩存管理等功能。MMU是現(xiàn)代計算機操作系統(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）實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。頁面表是一種數(shù)據(jù)結構，記錄了每個虛擬頁面和其對應的物理頁面之間的映射關系。

當CPU發(fā)出一個虛擬地址時，MMU會通過頁面表查找并將其轉(zhuǎn)換為對應的物理地址。此外，MMU還可以通過頁面表實現(xiàn)內(nèi)存保護和共享等功能，從而提高系統(tǒng)的安全性和效率。總之，MMU是內(nèi)存管理中一個重要的硬件組件，可以實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理、內(nèi)存保護、共享和緩存等功能，為現(xiàn)代計算機操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提供支持。舉個例子假設我們有一個程序，它需要訪問兩個內(nèi)存區(qū)域：一個是只讀的代碼區(qū)域，一個是可讀寫的數(shù)據(jù)區(qū)域。我們現(xiàn)在想要在一個沒有 MMU 的系統(tǒng)上運行這個程序。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固定的物理地址上。這就意味著，如果程序嘗試訪問一個不正確的地址，可能會導致系統(tǒng)崩潰�，F(xiàn)在，如果我們在一個具有 MMU 的系統(tǒng)上運行這個程序，情況會有所不同。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系統(tǒng)不崩潰。MMU 還可以將多個虛擬地址映射到同一個物理地址上，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物理地址。這種情況下，程序如果訪問了錯誤的地址或試圖訪問未被授權的地址，就會產(chǎn)生訪問錯誤或非法訪問，可能導致系統(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負責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，MMU可以根據(jù)內(nèi)存訪問權限來限制程序?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，程序可能會訪問到其他地址，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發(fā)生沖突呢？
相同的虛擬地址空間在不同的進程中可能會映射到不同的物理地址，這個映射的過程是由MMU完成的。在操作系統(tǒng)中，每個進程都有獨立的虛擬地址空間，且這些虛擬地址空間互不干擾。MMU會將每個進程的虛擬地址映射到對應的物理地址上，使得不同進程間的內(nèi)存訪問不會相互干擾。同時，MMU也會提供一些安全機制，如頁面保護等，來防止進程越界訪問內(nèi)存或訪問其他進程的內(nèi)存。因此，MMU起到了保護進程間內(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虛擬內(nèi)存地址與物理內(nèi)存地址映射關系的數(shù)據(jù)結構。在使用虛擬內(nèi)存的系統(tǒng)中，每個進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，當進程需要訪問某個虛擬地址時，需要將其翻譯成對應的物理地址。這個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頁號和一個偏移量。頁號用于在頁表中查找對應的物理頁幀號，而偏移量則用于計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，使得進程可以訪問對應的內(nèi)存區(qū)域。頁表一般由操作系統(tǒng)來維護，因為操作系統(tǒng)需要掌握虛擬地址和物理地址之間的映射關系。在使用MMU（Memory Management Unit）的硬件支持的系統(tǒng)中，當進程訪問虛擬地址時，MMU會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，進程就可以在不知道自己真實物理地址的情況下訪問內(nèi)存。
為什么沒有MMU就無法運行Linux系統(tǒng)？
這是因為 Linux 內(nèi)核將虛擬地址空間分為多個頁面，并將這些頁面映射到物理地址空間上，以實現(xiàn)內(nèi)存隔離、保護和虛擬內(nèi)存等功能。沒有 MMU，就無法實現(xiàn)這種映射，從而無法運行 Linux 系統(tǒng)。為什么有些較為簡單的SOC可能沒有MMU，但仍然可以運行一些嵌入式操作系統(tǒng)或者裸機程序？RTOS可以運行在沒有MMU的系統(tǒng)上，因為RTOS通常不需要進行內(nèi)存保護和虛擬地址映射等高級特性。相反，RTOS的設計側(cè)重于實時性和低延遲，因此通常只需要簡單的內(nèi)存管理和任務調(diào)度即可。這使得RTOS可以運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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