从零到一：Linux内核MMU启动与虚拟内存体系建立全流程详解

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从零到一：Linux内核MMU启动与虚拟内存体系建立全流程详解

作者：嵌入式Jerry

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一、什么是MMU与虚拟内存？（原理入门）

1.1 MMU（Memory Management Unit）

• MMU 是CPU内存管理单元，作用是把“进程/内核看到的虚拟地址”映射到真实的物理内存地址。
• 只有开启MMU，才能实现“虚拟内存”、“内存保护”、“多进程隔离”等高级特性。

1.2 虚拟内存

• “虚拟内存”指每个进程、内核都看到独立的虚拟地址空间，但底层映射到同一套物理内存，由MMU+操作系统动态维护和转换。
• 优势：简化编程、提升安全性、支持内存隔离和扩展。

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二、MMU/虚拟内存是在什么时候建立的？

2.1 不是Bootloader/SPL阶段

• Bootloader（如U-Boot）、SPL 仅负责加载内核到内存，地址一般是物理地址，不启用MMU。

2.2 内核启动阶段才建立

• 内核被加载到RAM后，体系结构相关启动汇编（head.S）负责建立初步页表、设置相关寄存器，并启动MMU，真正切换到虚拟地址空间。
• 随后跳转到 start_kernel()，内核和所有后续代码都运行在虚拟地址空间。

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三、启动流程总览（以ARM/ARM64为例）

1. SPL/Bootloader

   • 加载内核到RAM的某个物理地址，不启用MMU。

2. 内核启动汇编（head.S）

   • 建立最基础的页表（identity mapping/映射内核空间）。
   • 设置TTBR、DACR、SCTLR等MMU关键寄存器。
   • 执行汇编指令开启MMU。
   • 跳转到虚拟地址空间下的C入口——start_kernel()

3. start_kernel()

   • 内核开始各子系统的初始化，正式使用虚拟地址、支持多进程和内核空间隔离。

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四、核心代码详解（以ARM为例）

4.1 head.S 源码关键片段讲解

文件位置：arch/arm/kernel/head.S（32位），arch/arm64/kernel/head.S（64位）

4.1.1 建立初步页表（节选伪码）

bl  create_idmap_page_table     // 建立物理-虚拟一一映射
bl  enable_mmu                  // 使能MMU（见下文）
adrp    x0, __start_kernel
br      x0                      // 跳转到C语言主入口

4.1.2 enable_mmu/ __turn_mmu_on 解释

// 伪码节选
__enable_mmu:
    // 配置对齐、缓存、页表等
    mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0  // 设置TTBR0，页表基址
    mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0  // 设置DACR
    b __turn_mmu_on

ENTRY(__turn_mmu_on)
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0  // 写入SCTLR控制寄存器，M位=1打开MMU
    // ... 汇编不可再跟踪 ...
    br r13                      // 跳转到start_kernel的虚拟地址

重点解释：

• TTBR（Translation Table Base Register）：页表基址寄存器，告诉MMU去哪里查虚拟地址到物理地址的映射关系。
• DACR（Domain Access Control Register）：域访问权限。
• SCTLR（System Control Register）：控制MMU开关（M位=1）。
• br r13：切换到虚拟地址空间下的C语言主入口。

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4.2 start_kernel()后的虚拟内存使用

• 从start_kernel()开始，内核所有C代码都用虚拟地址。
  例如全局变量、函数栈、模块装载、进程地址空间、内核空间、用户空间等都已按虚拟内存体系分区。
• 用户进程创建时，系统为每个进程分配独立的虚拟地址空间，MMU确保互不干扰。

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五、用户空间与内核空间如何建立？（虚拟内存分区）

5.1 地址空间划分

• 用户空间：每个进程独有的03GB（32位）/0128TB（64位）虚拟空间。
• 内核空间：所有进程共享的高地址部分（如3GB~4GB），只内核态可访问。

不同架构划分细节略有差异，但本质一样：MMU+内核页表实现空间隔离、保护与资源管理。

5.2 虚拟地址到物理地址映射

• 通过页表维护虚拟页 → 物理页关系，支持按需分配、内存保护、页交换（swap）。
• 用户进程和内核空间的页表映射相互隔离（部分特殊区域有共享/映射需求，如内核的高端映射区）。

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六、易混/常见问题解析

1. 虚拟内存不是物理内存大，MMU是关键硬件支撑，依赖于OS建立页表。
2. MMU启动在内核启动早期完成，C代码的主入口（start_kernel）之前，汇编完成。
3. 内核空间和用户空间的虚拟地址，虽然在每个进程中都能访问到，但映射到的物理内存和访问权限完全不同。
4. 不同平台head.S实现细节不同，但基本原理一致。
5. 没有MMU和虚拟内存，系统无法安全支持多进程、内存保护、用户/内核隔离。

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七、项目中常见场景与技术盲区

• 驱动开发中误用物理/虚拟地址，导致DMA出错、无法访问用户空间内存。
• 启动优化时，误以为bootloader/SPL已建虚拟内存，实际要等内核完成MMU初始化才可用。
• 调试时看到C语言启动堆栈地址很高，本质是虚拟内存空间下的映射，不等于物理RAM。
• 移植新平台时，head.S和页表初始化经常是适配难点。

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八、一句话总结

MMU启动和虚拟内存体系的建立，是Linux多进程隔离、安全、稳定运行的基石。它是在内核启动早期由架构汇编代码（head.S）完成，start_kernel()起，所有代码都在虚拟空间下运行。彻底理解流程、机制和实现细节，是嵌入式、驱动、内核工程师不可或缺的基本功！

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