MCU在執(zhí)行main之前做了什么？

本文以Arm Cortex-M為例，介紹了在IAR Embedded Workbench中微控制器（MCU）的啟動(dòng)過程。在MCU復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器（PC）會(huì)指向相應(yīng)的復(fù)位向量，并開始執(zhí)行啟動(dòng)代碼（startup code）。如果MCU支持浮點(diǎn)單元（FPU），則在啟動(dòng)過程中，首先會(huì)調(diào)用__iar_init_vfp來初始化FPU，然后繼續(xù)執(zhí)行__iar_program_start。接著，__iar_program_start會(huì)調(diào)用__cmain函數(shù)。在__cmain中，會(huì)先調(diào)用__low_level_init函數(shù)，然后調(diào)用__iar_data_init3來進(jìn)行全局和靜態(tài)變量的初始化。在__iar_data_init3中，首先會(huì)調(diào)用__iar_zero_init3來初始化初始值為0的全局和靜態(tài)變量，隨后會(huì)調(diào)用__iar_copy_init3來初始化初始值為非0的全局和靜態(tài)變量。最終，在啟動(dòng)過程的最后階段，會(huì)通過調(diào)用__call_main來跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)，從而開始執(zhí)行主程序。

MCU啟動(dòng)過程

MCU啟動(dòng)過程指的是從MCU復(fù)位到main函數(shù)之前的過程。

當(dāng)MCU復(fù)位之后，MCU會(huì)從對(duì)應(yīng)的復(fù)位向量開始運(yùn)行，初始化Stack pointer指向指定Stack區(qū)域的末尾，然后調(diào)用__low_level_init函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的初始化。

(在微控制器（Microcontroller，縮寫為MCU）中，復(fù)位向量（Reset Vector）是一個(gè)特殊的內(nèi)存地址，用于指示MCU在復(fù)位或啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該開始執(zhí)行的第一條指令。當(dāng)MCU發(fā)生復(fù)位事件（如上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗定時(shí)器復(fù)位等）時(shí)，它會(huì)將程序計(jì)數(shù)器（PC）設(shè)置為復(fù)位向量的地址，從而開始執(zhí)行存儲(chǔ)在這個(gè)地址上的指令。

復(fù)位向量通常位于MCU的存儲(chǔ)器中的固定位置，通常是在芯片的起始位置。這確保了在復(fù)位時(shí)能夠始終從相同的地址開始執(zhí)行，從而確保可靠的系統(tǒng)啟動(dòng)。

復(fù)位向量的內(nèi)容可以是任何有效的機(jī)器指令，通常是一條跳轉(zhuǎn)指令（比如跳轉(zhuǎn)到主程序的入口點(diǎn)），以便MCU能夠開始執(zhí)行實(shí)際的應(yīng)用程序代碼。

總之，復(fù)位向量是一個(gè)重要的概念，它確保了在MCU復(fù)位時(shí)，程序能夠從可控的、確定的位置開始執(zhí)行，從而使系統(tǒng)能夠正常啟動(dòng)并運(yùn)行。)

接下來是全局和靜態(tài)變量的初始化：初始值為0的變量對(duì)應(yīng)的RAM區(qū)域會(huì)清零，初始值為非0的變量，會(huì)從ROM拷貝到RAM（注意：如果__low_level_init函數(shù)返回0，這一步將會(huì)跳過）。

然后是C++動(dòng)態(tài)初始化：構(gòu)造靜態(tài) C++ 對(duì)象，最后會(huì)調(diào)用main函數(shù)。

更具體一點(diǎn)：

當(dāng)MCU復(fù)位之后，PC指針會(huì)指向?qū)?yīng)的復(fù)位向量，然后運(yùn)行對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼（startup code)，啟動(dòng)代碼首先會(huì)初始化Stack pointer指向指定Stack區(qū)域的末尾。

然后初始化初始值為0的存儲(chǔ)在RAM中的全局和靜態(tài)變量（比如 int i = 0;）：

初始化初始值為非0的存儲(chǔ)在RAM中的全局和靜態(tài)變量（比如 int i = 1;），對(duì)應(yīng)的初始值從相應(yīng)的ROM拷貝到對(duì)應(yīng)的RAM：

最后，調(diào)用main函數(shù):

啟動(dòng)代碼

通常情況下，如果ICF文件中添加了initialize by copy 命令，linker會(huì)自動(dòng)選擇并添加對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼來完成對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)過程。對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼通過庫文件的方式進(jìn)行l(wèi)ink。對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼在安裝目錄armsrclib下面：

armsrclibthumbcstartup_M.s                  (__iar_program_start)armsrclibthumbcmain.s                     (__cmain，__call_main)armsrclibruntimelow_level_init.c               (__low_level_init)armsrclibruntimedata_init.c                  (__iar_data_init3)armsrclibruntimezero_init3.c                 (__iar_zero_init3)armsrclibruntimecopy_init3.c                 (__iar_copy_init3)

對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼和相關(guān)文件信息會(huì)在map文件里面列出來：

同時(shí)map文件里面INIT TABLE章節(jié)會(huì)列出對(duì)應(yīng)的全局和靜態(tài)變量的初始化信息：初始值為0的會(huì)使用__iar_zero_init3進(jìn)行初始化，初始值為非0的會(huì)使用__iar_copy_init3進(jìn)行初始化：

調(diào)試

為了能夠調(diào)試查看對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼和啟動(dòng)過程，需要配置Debugger選項(xiàng)里面的Run to，即不要勾選Run to，這樣調(diào)試的時(shí)候復(fù)位之后PC會(huì)停在復(fù)位向量而不是main函數(shù)，然后就可以調(diào)試對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)代碼和啟動(dòng)過程。

復(fù)位之后，PC會(huì)停在復(fù)位向量Reset_Handler，Reset_Handler首先會(huì)調(diào)用SystemInit函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的配置和初始化（這個(gè)是Cortex-M CMSIS的標(biāo)準(zhǔn)），然后會(huì)調(diào)用__iar_program_start：

如果對(duì)應(yīng)的MCU有FPU，__iar_program_start首先會(huì)調(diào)用__iar_init_vfp對(duì)FPU進(jìn)行初始化：

然后__iar_program_start會(huì)調(diào)用__cmain：

__cmain首先會(huì)調(diào)用__low_level_init（默認(rèn)實(shí)現(xiàn)為空，僅返回 1）：

__cmain然后會(huì)調(diào)用__iar_data_init3進(jìn)行全局和靜態(tài)變量的初始化：

__iar_data_init3首先會(huì)調(diào)用__iar_zero_init3進(jìn)行初始值為0的全局和靜態(tài)變量的初始化：

__iar_data_init3然后會(huì)調(diào)用__iar_copy_init3進(jìn)行初始值為非0的全局和靜態(tài)變量的初始化：

最后__call_main會(huì)調(diào)用main函數(shù)跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)：

至此MCU從復(fù)位向量開始，運(yùn)行啟動(dòng)代碼之后就跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)，然后開始運(yùn)行用戶的代碼：

注意事項(xiàng)

Cortex-M的MSP賦值是通過硬件自動(dòng)操作完成的，在復(fù)位后會(huì)從中斷向量表的0地址偏移處獲取值并賦給MSP寄存器。因此，上述啟動(dòng)代碼和啟動(dòng)過程中并未顯式體現(xiàn)這一步驟。然而，若需要手動(dòng)對(duì)MSP進(jìn)行賦值（例如在bootloader跳轉(zhuǎn)到application時(shí)需要手動(dòng)為application設(shè)置MSP值），則需要在啟動(dòng)代碼的起始部分執(zhí)行這一操作。

IAR默認(rèn)的啟動(dòng)代碼是在鏈接（link）過程中由鏈接器自動(dòng)添加的。如果需要手動(dòng)進(jìn)行MSP賦值等操作，這些代碼可以在啟動(dòng)代碼的最開始部分進(jìn)行添加。此外，為了支持這種操作，需要在ICF（IAR Configuration File）文件中添加"initialize by copy"命令。

對(duì)于初始化操作，用戶可以通過實(shí)現(xiàn)__low_level_init函數(shù)來進(jìn)行。特別是對(duì)于支持ECC（Error Correction Code）機(jī)制的MCU的RAM，需要在__low_level_init函數(shù)中根據(jù)ECC的位寬對(duì)RAM區(qū)域進(jìn)行一次寫操作，以避免后續(xù)RAM操作引發(fā)ECC錯(cuò)誤。需要注意的是，__low_level_init函數(shù)在全局和靜態(tài)變量初始化之前執(zhí)行，因此其中不能使用這些全局和靜態(tài)變量。此外，__low_level_init函數(shù)的返回值決定是否需要對(duì)全局和靜態(tài)變量進(jìn)行初始化，返回1表示需要初始化，返回0表示不需要初始化。

在IAR中，__iar_program_start是默認(rèn)的程序開始標(biāo)簽。如果代碼中使用了其他程序開始標(biāo)簽，可以通過鏈接器選項(xiàng)--entry來指定相應(yīng)的程序開始標(biāo)簽。

總結(jié)

本文以Arm Cortex-M為例，介紹了在IAR Embedded Workbench中微控制器（MCU）的啟動(dòng)過程。在MCU復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器（PC）會(huì)指向相應(yīng)的復(fù)位向量，并開始執(zhí)行啟動(dòng)代碼（startup code）。如果MCU支持浮點(diǎn)單元（FPU），則在啟動(dòng)過程中，首先會(huì)調(diào)用__iar_init_vfp來初始化FPU，然后繼續(xù)執(zhí)行__iar_program_start。接著，__iar_program_start會(huì)調(diào)用__cmain函數(shù)。在__cmain中，會(huì)先調(diào)用__low_level_init函數(shù)，然后調(diào)用__iar_data_init3來進(jìn)行全局和靜態(tài)變量的初始化。在__iar_data_init3中，首先會(huì)調(diào)用__iar_zero_init3來初始化初始值為0的全局和靜態(tài)變量，隨后會(huì)調(diào)用__iar_copy_init3來初始化初始值為非0的全局和靜態(tài)變量。最終，在啟動(dòng)過程的最后階段，會(huì)通過調(diào)用__call_main來跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)，從而開始執(zhí)行主程序。