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Linux系统编程：进程管理、内存对比与树莓派应用

news 来源：原创 2025/9/4 5:26:23

一、认识进程和线程，在Linux系统下查看系统中各进程的编号pid并终止一个进程pid

1.进程和线程

进程：操作系统分配资源（如内存、CPU时间片）的基本单位。每个进程有独立的内存空间，进程间通信需要较复杂的机制（如管道、信号、共享内存等）。

线程：进程内的执行单元，共享同一进程的资源（如内存、文件句柄）。线程间通信更高效，但需注意同步问题（如竞态条件）。

2.用 ps -a 命令查看系统中各进程的编号pid且用 kill 命令终止一个进程pid

命令如下

#在后台运行一个 sleep 120 秒的进程
sleep 120 &#查看进程的PID
ps -a
输出示例：PID TTY          TIME CMD1234 pts/0    00:00:00 bash5678 pts/1    00:00:00 ps终止进程
kill PID（如kill 1234）

操作结果：

二、Linux的“虚拟内存管理”与stm32中的真实物理内存（内存映射）的区别

1.Linux虚拟内存管理

虚拟内存是操作系统对物理内存的抽象层，通过 硬件（MMU） 和 软件（内核页表） 协作实现。

特性	说明
虚拟地址空间	每个进程拥有独立的虚拟地址空间（如0x0000~0xFFFF），与物理内存解耦。
分页机制	内存按固定大小（如4KB）分页，通过页表（Page Table）映射虚拟页到物理页或磁盘（Swap）。
内存保护	页表项标记内存权限（读/写/执行），防止非法访问（如代码区只读）。
按需分配	物理内存仅在实际访问时分配（触发缺页中断），避免浪费。
共享内存	多个进程可共享同一物理页（如动态库代码）。
Swap机制	将不活跃的内存页换出到磁盘，缓解物理内存不足。

示例：

进程A访问虚拟地址0x1234 → MMU查页表 → 映射到物理地址0x5678。
若目标页不在物理内存中，触发缺页中断 → 内核从磁盘加载该页。

2.STM32物理内存映射

TM32等微控制器无MMU，直接通过物理地址访问内存和外设，其设计目标是实时性和确定性：

特性	说明
物理地址直接访问	所有代码直接操作物理地址（如`0x20000000`为SRAM起始地址）。
内存与外设统一编址	外设寄存器通过特定地址访问（如`0x40000000`为GPIOA寄存器地址）。
静态内存分配	内存布局在编译时确定（通过链接脚本），无动态分页或交换机制。
无内存保护	所有代码均可访问任意物理地址，易因错误操作导致系统崩溃。
确定性延迟	无地址转换开销，访问外设和内存的时间可精确计算，适合实时系统。

示例：

操作STM32的GPIO：

volatile uint32_t *GPIOA = (uint32_t*)0x40020000;  // 直接访问GPIOA寄存器地址
*GPIOA |= 0x01;  // 设置PA0引脚为高电平

3. 关键区别对比

维度	Linux虚拟内存	STM32物理内存
地址空间	虚拟地址隔离（进程安全）	直接物理地址（无隔离）
硬件依赖	依赖MMU实现地址转换	无MMU，直接访问物理地址
内存分配	动态分页，按需分配	静态分配，编译时固定
内存保护	通过页表权限实现（读/写/执行）	无保护，代码可任意修改内存或外设
实时性	因地址转换和缺页中断导致延迟不确定	访问延迟确定，适合实时控制
应用场景	通用多任务系统（如服务器、PC）	资源受限的嵌入式实时系统（如电机控制、传感器）

4. 注意事项

在Linux中：
- 用户程序通过malloc申请的是虚拟内存，实际物理内存分配由内核管理。
- 直接访问物理地址需通过/dev/mem或内存映射（mmap），且需要root权限。
在STM32中：
- 需手动管理内存，避免溢出（如栈、堆大小需在链接脚本中明确定义）。
- 操作外设时需严格遵循寄存器地址和时序，错误写入可能导致硬件故障。

总结：Linux虚拟内存是抽象层，解决多任务安全与资源扩展问题；STM32物理内存映射是直接控制，满足实时性和硬件效率需求。两者适用于截然不同的场景，理解其差异是开发跨平台系统的关键。

三、Linux系统调用函数 fork()、wait()、exec() 等的含义和调用方法

1.用xterminal（或者putty等）远程登录自己阿里云服务器Ubuntu系统的账号，在home目录下创建一个子目录，然后使用vi编辑一个c代码，gcc编译，实现一个系统调用函数的例子

下图为整个命令流程：

c文件起名为fork_exec_wait.c，代码如下（此代码是deepseek写的）：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程执行ls -l命令execlp("ls", "ls", "-l", NULL);perror("exec failed");  // 若exec失败，输出错误return 1;} else {// 父进程等待子进程结束wait(NULL);printf("子进程执行完毕。\n");}return 0;
}

编辑好代码后在下方命令行输入：wq+Enter（一定要Enter！），然后点击发送就退出去了

2.在树莓派中创建账号，在该账号+home目录下，完成同样的操作

PS：一定要让树莓派跟你的电脑都连你的手机热点！！！

打开putty连接树莓派（关于树莓派可以看我另一个博客）无显示器安装访问树莓派3B+_如何在没用显示器的情况下给树莓派安装系统-CSDN博客

（1）创建账号（过程如下，详细看上面链接的博客）

（2）授权新账号使用sudo（方便进行安装一些工具等操作）

指令解释如下：

//添加
sudo usermod -aG sudo cq   # -a表示追加，-G指定组//检查
groups cq   # 输出应包含 "sudo"

（3）切换账号并安装gcc（编译工具）

指令解释如下：

//切换用户
pi@raspberrypi:~ $ su - cq//sudo whoami  # 测试sudo权限，返回 "root"
cq@raspberrypi:~ $ sudo whoami//安装gcc
cq@raspberrypi:~ $ sudo apt install gcc

结果如下：

（4）创建作业目录并编写代码

//创建目录
mkdir -p ~/work6       //进入目录
cd ~/syscall_practice    # 使用nano编辑器(xterminal中用的vi)
nano fork_exec_wait.c

c文件代码（同xterminal中）：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork失败\n");return 1;} else if (pid == 0) {execlp("ls", "ls", "-l", NULL);perror("exec失败");return 1;} else {wait(NULL);printf("子进程执行完毕。\n");}return 0;
}

保存退出：Ctrl+O → 回车 → Ctrl+X（nano编辑器操作）

（5）编译并运行

指令：

//编译
gcc fork_exec_wait.c -o demo //运行
./demo

结果：

四、总结

本次实验我了解了进程和线程，通过查找资料了解了Linux虚拟内存和STM32物理内存的区别，还通过Xterminal在阿里云服务器以及通过Putty在树莓派上完成了系统调用实践。学到了很多，偷偷吐槽一下，putty不能复制粘贴代码，挺难受的。

一、认识进程和线程，在Linux系统下查看系统中各进程的编号pid并终止一个进程pid

1.进程和线程

2.用 ps -a 命令查看系统中各进程的编号pid且用 kill 命令终止一个进程pid

二、Linux的“虚拟内存管理”与stm32中的 真实物理内存（内存映射）的区别

1.Linux虚拟内存管理​

2.STM32物理内存映射​

3. 关键区别对比​​

4. 注意事项​