裸机嵌入式 (STM32 等)和操作系统程序 (Linux 等)程序启动对比

🚀 代码段的存放位置（.text 段）

🌟 在嵌入式裸机程序（如 STM32）

💡 代码段 .text 放在 Flash（ROM、程序存储器）

• 因为嵌入式芯片 RAM 很小，不足以装整个程序代码。
• Flash（或 ROM）是非易失性存储，程序烧进去就能掉电保留。
• MCU 在上电时直接从 Flash 取指令执行。

👉 内存布局（常见 STM32）：

Flash（代码区）
+---------------------+
| 矢量表 + 启动代码     |
| .text (代码)         |
| .rodata (常量)       |
| .data 初始镜像       |
+---------------------+

RAM（数据区）
+---------------------+ <- SP 初始值 (栈顶)
| 栈                   |
| 堆                   |
| .bss (清零变量)      |
| .data (初始化变量)   |
+---------------------+

✅ .text 始终在 Flash，MCU 从 Flash 执行代码，不需要先搬到 RAM。

🌟 在一般 GCC + 操作系统程序（如 Linux）

💡 代码段 .text 放在磁盘的可执行文件中，加载时由操作系统映射到 RAM（内存）

• 可执行文件（如 ELF）放在磁盘。
• 操作系统 loader（加载器）读取文件，把 .text 映射进虚拟内存（通常是物理 RAM）。
• CPU 从 RAM（内存）取指执行（即便你看到映射自文件，本质还是在内存中执行）。

👉 内存布局（Linux 程序）：

磁盘
+---------------------+
| 可执行文件 (ELF)     |
| 包含 .text/.data/... |
+---------------------+

运行时内存（RAM）
+---------------------+
| .text 映射到 RAM     |
| .rodata 映射到 RAM   |
| .data 初始化到 RAM   |
| .bss 已清零 RAM 区   |
| 堆                   |
| 栈                   |
+---------------------+

✅ 代码段 .text 在运行时实际在 RAM（内存）中执行。
✅ 操作系统支持虚拟内存：可以映射、保护、共享代码段等。

🌈 两者最大区别

💡 特殊情况：嵌入式中代码段放 RAM 的场景

你也许会想到：
👉 有时嵌入式程序确实会把 .text 搬到 RAM：

• 为了跑在高速 SRAM 里，加快速度（例如某些 STM32 内部高速 RAM）。
• 某些代码需要在写 Flash 时运行（写 Flash 时不能同时取指）。
• Bootloader / 特殊场景需要动态重映射。

💡 这种情况下链接脚本会明确把 .text 放 RAM，启动代码负责拷贝。

例如：

.text : 
{
  *(.text*)
} > RAM AT > FLASH

👉 意思是：运行时地址在 RAM，但初始值在 Flash，启动代码负责搬。

✅ 结论

✔ 操作系统程序：代码最终会映射到内存（RAM），CPU 从 RAM 取指。
✔ 裸机嵌入式程序：代码直接存在 Flash，CPU 从 Flash 执行。
✔ 区别本质：有无 OS loader + 存储介质不同 + 内存资源不同。

u-boot 和 STM32 裸机启动的相似点：

具体说：

• u-boot 是一个裸机程序（bootloader），它没有操作系统，也就是说它需要自己完成内存初始化、堆栈设置、Flash 读取等工作。
• u-boot 代码存放在非易失存储（Flash 等），启动时 CPU 直接从 Flash 取指。
• 它会完成类似 STM32 启动代码的工作，比如初始化 RAM，拷贝必要的数据，配置硬件，最终加载 Linux 内核或其他程序到 RAM 运行。

所以，u-boot 本质上和 STM32 裸机程序的启动流程很类似，都是“无操作系统，启动代码负责初始化内存和执行环境”，区别是 u-boot 体积更大、功能更复杂，还要支持设备驱动、文件系统、网络等功能。

U-Boot 是否使用 MMU？

1. 什么是 MMU？

• MMU（内存管理单元）是硬件组件，负责虚拟地址和物理地址转换，支持内存保护和分页。
• Linux 等现代操作系统依赖 MMU 来实现虚拟内存管理。
• 对于裸机程序和启动加载器来说，是否开启 MMU 是设计的一个选项。

2. U-Boot 默认行为

• 在大多数平台上，U-Boot 启动时默认是关闭 MMU 的。
• U-Boot 是一个启动加载器（Bootloader），它的任务是完成硬件初始化，加载操作系统镜像到内存，然后跳转执行操作系统。
• 关闭 MMU 可以简化启动代码，减少初始化复杂度。

3. U-Boot 是否可以开启 MMU？

• 是的，U-Boot 支持在启动阶段根据需要开启 MMU。
• 对于一些需要 MMU 功能的高级平台或特定功能，U-Boot 可以配置并启用 MMU。
• 启用 MMU 后，U-Boot 可以使用虚拟地址进行内存访问，支持更复杂的内存管理。

4. 具体情况举例

• ARM Cortex-A 系列（带 MMU）

  • U-Boot 通常会配置页表，并在加载操作系统之前开启 MMU。
  • 这样可以为 Linux 或其他操作系统提供正确的内存映射环境。

• ARM Cortex-M 系列（无 MMU）

  • U-Boot 不存在，因为 Cortex-M 用于裸机程序，启动代码简单，没有 MMU。

5. 总结

通常 U-Boot 在搬运（加载）Linux内核到内存时是关闭MMU的，原因和流程大致如下：

1. U-Boot启动初期 — MMU一般是关闭的

• CPU上电复位后，MMU默认关闭，U-Boot作为第一个启动阶段的引导程序，也通常保持MMU关闭。
• 关闭MMU时，CPU使用的是物理地址访问内存，U-Boot可以直接通过物理地址读写Flash和RAM。

2. U-Boot搬运内核（Copy Kernel）过程

• U-Boot从Flash（或者其他存储介质）读取Linux内核镜像（二进制文件）到指定的物理内存地址。
• 这一步是物理地址访问，MMU关闭时，U-Boot直接用物理地址操作内存，没有地址转换。
• 这样避免了复杂的页表配置，代码简单、执行快速。

3. U-Boot开启MMU时机

• 在完成内核加载、设备初始化等必要操作后，U-Boot才可能配置并开启MMU。
• 开启MMU主要是为了给操作系统（比如Linux）准备好虚拟内存环境。
• Linux内核入口通常假定MMU已经启用，或者启动代码会在早期初始化MMU。

4. 具体流程示意

CPU复位 -> MMU关闭 -> U-Boot运行
      ↓
U-Boot关闭MMU状态下从Flash加载内核到RAM
      ↓
U-Boot（根据平台需要）配置并开启MMU
      ↓
跳转内核入口，内核启动（此时MMU已开启或由内核早期启动代码开启）

5. 额外说明

• 某些特殊平台或配置下，U-Boot可能会提前开启MMU（比如需要MMU才能访问某些内存或设备），但这不是常见做法。
• 裸机启动（无操作系统）时，MMU通常一直关闭。

Linux内核是怎么识别和管理自己可用的RAM空间，也就是区分“内核占用”与“空闲RAM”的：

Linux内核识别和管理可用RAM的原理

1. 启动时内核获取物理内存信息

• 当Linux内核启动时，启动引导程序（如U-Boot）会传递物理内存布局给内核。

• 这通常通过如下方式传递：

  • ATAGs（旧平台）
  • Device Tree Blob (DTB)（现代ARM平台）
  • 或者通过固件接口（UEFI）等

这些结构告诉内核哪些物理地址范围是可用的RAM，哪些区域是保留的（比如MMIO，外设寄存器地址等）。

2. 内核使用内存管理子系统

• 内核启动时，会根据启动参数和传入的内存地图（memory map）调用 memblock 子系统（早期阶段）进行物理内存管理。
• 然后初始化 伙伴系统（buddy allocator），它管理物理页的分配和释放。

3. 内核自己代码和数据占用的内存

• 内核本身的代码、只读数据（.text、.rodata）、已初始化数据（.data）和未初始化数据（.bss）都会被映射到物理内存的特定区域。
• 这些内存区域在内核启动阶段就被占用，不可用于其他用途。

4. 剩余内存被标记为空闲内存

• 除去内核自身占用的物理内存区块，剩下的内存都被内核标记为“空闲”，供内核后续动态分配（内核堆、页缓存、用户空间进程等）。
• 这个过程在内核启动早期完成。

5. 简化流程图

引导程序传递内存地图 ---> 内核初始化memblock系统 ---> 标记内核占用区域
                          ---> 伙伴系统初始化（空闲内存管理）
                          ---> 其余内存区块标记为空闲

6. 内核如何避免占用冲突？

• 内核链接脚本中定义了内核镜像在物理内存中的位置（起始地址和大小）。
• 启动代码中，符号（如_start, _end）告诉内核自己占用内存范围。
• 内核memblock系统会把这块内存标记为“保留”，不分配给其它用途。

7. 举例

假设系统RAM是0x80000000 ~ 0x80800000（8MB），

• 内核代码占用0x80000000 ~ 0x80040000 (256KB)
• 其余的7.75MB标记为空闲

总结

🌟 大致流程

1️⃣ U-Boot 提供可用 RAM 信息给内核

• U-Boot 在启动 Linux 时会传递 物理内存信息（RAM 的起始地址、大小）。

• 具体形式：

  • Device Tree (DTB) 文件：现代 ARM 系统通用。
  • ATAGs：老式 ARM 系统。

• 内核启动代码解析这些结构，知道哪些物理地址范围是 RAM，哪些是保留或外设地址。

2️⃣ 内核初始化物理内存管理

• 内核早期阶段（还没开启 MMU 时），使用 memblock 子系统 管理物理内存范围。

• memblock 记录：

  • 哪些物理内存区块可用。
  • 哪些区块已被内核自己占用（内核代码、BSS、数据段等）。
  • 哪些区块是保留或不可用的。

• 内核自己的内存区块会标记为 保留，防止后续分配覆盖它。

3️⃣ 内核设置 MMU 和虚拟地址空间

• 内核会建立页表，把物理内存映射到内核虚拟地址空间（比如 ARM 上虚拟地址从 0xC0000000 开始）。
• 这时候 MMU 开启，内核代码从物理地址跳到虚拟地址执行。

4️⃣ 内核管理 ELF 程序（用户态进程）

• 当 Linux 内核加载用户程序（比如 ELF 文件）时：

  • 内核会在虚拟内存空间（由MMU提供）为进程分配地址空间。
  • 页表把用户进程的虚拟地址映射到实际的物理内存（也就是 memblock 和伙伴系统管理的那片空闲RAM）。
  • 内核负责加载 ELF 各段到合适的物理内存，并建立虚拟到物理的映射。

🌈 简化流程图

U-Boot 提供内存地图（DTB / ATAGs）
        ↓
内核 memblock 记录物理内存分布（哪些可用，哪些保留）
        ↓
内核构建页表，启动 MMU，映射内核虚拟地址
        ↓
内核加载用户 ELF，给进程分配虚拟内存，并映射到空闲物理页