用面试拷问嵌入式技术栈 | Felix’s Micro Space

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操作系统

内存管理

可执行文件的section组成（如代码段、数据段、BSS段）和处理器内存布局。

网络原理

处理器架构

编译器原理

嵌入式系统可执行文件格式说明

嵌入式开发面临处理器平台和软件生态的碎片化与多样性。为兼顾性价比，系统配置灵活多变：CPU架构各异（ARM、RISC-V、x86），ARM架构下又分不同系列（如STM32的Cortex-M和Raspberry Pi/i.MX的Cortex-A）；存储容量不同，决定使用RTOS或Linux；启动方式多样，微控制器（如STM32、AVR）从Flash启动，而应用处理器（如Raspberry Pi、i.MX）从外部存储器启动。

因此，嵌入式系统生成的二进制文件格式也多种多样：

.out (a.out)：Unix系统原始可执行格式，assembler output缩写，现已少用，但可能在部分嵌入式工具链中保留。包含段头部表（text/data/bss）和符号表等。

.exe (PE)：Windows标准可执行格式，采用复杂的PE结构，不适用于裸机环境，依赖完整OS。

.axf (ARM Executable Format)：ARM工具链（Keil/ARMCC）生成的ELF变种，内嵌调试信息和交叉引用数据，专为ARM调试优化。

.elf (Executable and Linkable Format)：Unix-like系统标准格式，嵌入式GCC工具链默认生成，支持动态链接，保留符号表和调试信息，包含程序头描述加载方式。

.exe和.elf分别对应Windows和Linux下编译的可执行文件，需要操作系统加载器支持。嵌入式微控制器通常生成.axf或.elf，由于缺乏加载器支持且存储空间有限，需转换为.bin或.hex。转换目的在于精简文件（去除调试信息和符号表）并适应无OS环境下的静态烧录。这决定了烧录器生态普遍支持HEX/BIN直接烧录。

操作系统和裸机环境下程序的运行原理

操作系统下运行可执行文件主要包括加载和运行两个过程。加载过程是根据链接确定的起始地址，将程序从ROM加载到不同内存段中。程序运行则是CPU从内存读取并执行指令的过程。对于操作系统，需考虑虚拟地址和物理地址管理。

裸机环境下，由于缺乏程序运行环境，需借助第三方工具将编译好的可执行文件烧录到内存的指定RAM物理地址。

命令行中输入 ./a.out 后发生了什么

在Linux系统中，当用户在命令行中输入 ./a.out 时，程序的运行需要经过从用户指令到内核介入、再到进程创建和程序执行的多个步骤。以下是详细的流程分析：

流程总览

用流程图和主要步骤总结整个过程：

详细步骤解释

1. Shell解析命令

当用户在终端输入 ./a.out 时：

Shell的行为：

Shell将./a.out解析为对当前目录下可执行文件 a.out 的路径引用（而非全局路径）。

2. 权限和路径检查

路径检查

如果未指定绝对路径（如/home/user/a.out），Shell会检查当前目录是否包含该文件。
如果文件不存在：提示 No such file or directory。

执行权限验证：

使用 stat 系统调用检查文件元数据（权限位）。
若文件有可执行权限（x 位），则继续；否则返回错误。
如果无执行权限：提示 Permission denied。

文件类型验证：

必须是一个二进制可执行文件或脚本（如Shell脚本）。
通过文件头部（ELF Header）判断是否为合法可执行文件。

3. 加载器创建新进程

核心系统调用：

fork()：复制当前Shell进程创建一个新进程。
execve()：替换新进程的代码和数据为a.out的内容。

进程创建流程：

fork()生成子进程（与父进程共享代码段和数据段）。

execve()擦除子进程资源，加载新程序映像（a.out）。

若这一步失败（如文件损坏），返回错误并终止子进程。

4. 内核处理可执行文件

ELF文件解析：

ELF（Executable and Linkable Format）文件包含头信息（Entry Point地址、段头表、程序头表）。
内核读取ELF Header，验证是否合法（魔数 0x7F 0x45 0x4C 0x46）。
识别程序类型（静态链接还是动态链接）。

加载流程：

根据程序头表（Program Headers）将代码段（.text）、数据段（.data）等内容映射到内存。
如果是动态链接程序，加载器会进一步处理（见下文）。

5. 动态链接和库加载

动态链接过程：

加载器检查程序的 .interp 段，找到动态链接器路径（如 /lib/ld-linux-x86-64.so.2）。

动态链接器（ld.so）初始化进程环境，解析未定的符号引用。

加载共享库（如 libc.so）到内存，重定位地址以完成链接。

显式行为：

使用 ldd a.out 可以查看依赖的动态库。
若某个库缺失，程序会在这一步崩溃（提示 error while loading shared libraries）。

6. 设置进程环境

用户态初始化：

栈内存布局初始化：存放环境变量（envp）、命令行参数（argv）和参数个数（argc）。
堆（通过brk系统调用初始分配）和全局变量的内存分配。

程序入口点：

_start（由C运行时库 crt0.o 提供）调用全局构造函数（C++的全局对象）和 main 函数。
最终main函数被调用。

7. 程序执行阶段

用户态运行：

执行main函数中的代码（用户编写的逻辑）。
访问系统调用（如printf的write调用）通过软中断（int 0x80 或 syscall指令）进入内核态。

结束流程：

main 返回后，控制权交还给 _start。

调用C运行时库的 exit()，触发 exit_group 系统调用终止进程。

资源回收（关闭文件描述符、释放内存、通知父进程）由内核处理。

实际调试验证

使用 strace 工具跟踪系统调用：

输出的关键部分：

这段输出展示了：

execve调用加载程序。

动态链接器加载 libc 库。

write系统调用输出字符串。

程序正常退出。

编程语言

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