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 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。​​​