Linux系统编程：进程管理、内存对比与树莓派应用
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 CMD
1234 pts/0 00:00:00 bash
5678 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。
- 用户程序通过
-
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。