MCU在执行main之前做了什么？

本文以Arm Cortex-M为例，介绍了在IAR Embedded Workbench中微控制器（MCU）的启动过程。在MCU复位后，程序计数器（PC）会指向相应的复位向量，并开始执行启动代码（startup code）。如果MCU支持浮点单元（FPU），则在启动过程中，首先会调用__iar_init_vfp来初始化FPU，然后继续执行__iar_program_start。接着，__iar_program_start会调用__cmain函数。在__cmain中，会先调用__low_level_init函数，然后调用__iar_data_init3来进行全局和静态变量的初始化。在__iar_data_init3中，首先会调用__iar_zero_init3来初始化初始值为0的全局和静态变量，随后会调用__iar_copy_init3来初始化初始值为非0的全局和静态变量。最终，在启动过程的最后阶段，会通过调用__call_main来跳转到main函数，从而开始执行主程序。

MCU启动过程
MCU启动过程指的是从MCU复位到main函数之前的过程。
当MCU复位之后，MCU会从对应的复位向量开始运行，初始化Stack pointer指向指定Stack区域的末尾，然后调用__low_level_init函数进行相关的初始化。
(在微控制器（Microcontroller，缩写为MCU）中，复位向量（Reset Vector）是一个特殊的内存地址，用于指示MCU在复位或启动时应该开始执行的第一条指令。当MCU发生复位事件（如上电复位、外部复位、看门狗定时器复位等）时，它会将程序计数器（PC）设置为复位向量的地址，从而开始执行存储在这个地址上的指令。
复位向量通常位于MCU的存储器中的固定位置，通常是在芯片的起始位置。这确保了在复位时能够始终从相同的地址开始执行，从而确保可靠的系统启动。
复位向量的内容可以是任何有效的机器指令，通常是一条跳转指令（比如跳转到主程序的入口点），以便MCU能够开始执行实际的应用程序代码。
总之，复位向量是一个重要的概念，它确保了在MCU复位时，程序能够从可控的、确定的位置开始执行，从而使系统能够正常启动并运行。)



接下来是全局和静态变量的初始化：初始值为0的变量对应的RAM区域会清零，初始值为非0的变量，会从ROM拷贝到RAM（注意：如果__low_level_init函数返回0，这一步将会跳过）。
然后是C++动态初始化：构造静态 C++ 对象，最后会调用main函数。



更具体一点：
当MCU复位之后，PC指针会指向对应的复位向量，然后运行对应的启动代码（startup code)，启动代码首先会初始化Stack pointer指向指定Stack区域的末尾。



然后初始化初始值为0的存储在RAM中的全局和静态变量（比如 int i = 0;）：



初始化初始值为非0的存储在RAM中的全局和静态变量（比如 int i = 1;），对应的初始值从相应的ROM拷贝到对应的RAM：



最后，调用main函数:



启动代码
通常情况下，如果ICF文件中添加了initialize by copy 命令，linker会自动选择并添加对应的启动代码来完成对应的启动过程。对应的启动代码通过库文件的方式进行link。对应的启动代码在安装目录arm\src\lib下面：

复制

 \arm\src\lib\thumb\cstartup_M.s (__iar_program_start)

\arm\src\lib\thumb\cmain.s                     (__cmain，__call_main)

\arm\src\lib\runtime\low_level_init.c               (__low_level_init)

\arm\src\lib\runtime\data_init.c                  (__iar_data_init3)

\arm\src\lib\runtime\zero_init3.c                 (__iar_zero_init3)

\arm\src\lib\runtime\copy_init3.c                 (__iar_copy_init3)

为了能够调试查看对应的启动代码和启动过程，需要配置Debugger选项里面的Run to，即不要勾选Run to，这样调试的时候复位之后PC会停在复位向量而不是main函数，然后就可以调试对应的启动代码和启动过程。

复位之后，PC会停在复位向量Reset_Handler，Reset_Handler首先会调用SystemInit函数进行相关的配置和初始化（这个是Cortex-M CMSIS的标准），然后会调用__iar_program_start：

如果对应的MCU有FPU，__iar_program_start首先会调用__iar_init_vfp对FPU进行初始化：



然后__iar_program_start会调用__cmain：



__cmain首先会调用__low_level_init（默认实现为空，仅返回 1）：



__cmain然后会调用__iar_data_init3进行全局和静态变量的初始化：



__iar_data_init3首先会调用__iar_zero_init3进行初始值为0的全局和静态变量的初始化：



__iar_data_init3然后会调用__iar_copy_init3进行初始值为非0的全局和静态变量的初始化：



最后__call_main会调用main函数跳转到main函数：



至此MCU从复位向量开始，运行启动代码之后就跳转到main函数，然后开始运行用户的代码：



注意事项

• Cortex-M的MSP赋值是通过硬件自动操作完成的，在复位后会从中断向量表的0地址偏移处获取值并赋给MSP寄存器。因此，上述启动代码和启动过程中并未显式体现这一步骤。然而，若需要手动对MSP进行赋值（例如在bootloader跳转到application时需要手动为application设置MSP值），则需要在启动代码的起始部分执行这一操作。
• IAR默认的启动代码是在链接（link）过程中由链接器自动添加的。如果需要手动进行MSP赋值等操作，这些代码可以在启动代码的最开始部分进行添加。此外，为了支持这种操作，需要在ICF（IAR Configuration File）文件中添加"initialize by copy"命令。
• 对于初始化操作，用户可以通过实现__low_level_init函数来进行。特别是对于支持ECC（Error Correction Code）机制的MCU的RAM，需要在__low_level_init函数中根据ECC的位宽对RAM区域进行一次写操作，以避免后续RAM操作引发ECC错误。需要注意的是，__low_level_init函数在全局和静态变量初始化之前执行，因此其中不能使用这些全局和静态变量。此外，__low_level_init函数的返回值决定是否需要对全局和静态变量进行初始化，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是默认的程序开始标签。如果代码中使用了其他程序开始标签，可以通过链接器选项--entry来指定相应的程序开始标签。
  

总结
本文以Arm Cortex-M为例，介绍了在IAR Embedded Workbench中微控制器（MCU）的启动过程。在MCU复位后，程序计数器（PC）会指向相应的复位向量，并开始执行启动代码（startup code）。如果MCU支持浮点单元（FPU），则在启动过程中，首先会调用__iar_init_vfp来初始化FPU，然后继续执行__iar_program_start。接着，__iar_program_start会调用__cmain函数。在__cmain中，会先调用__low_level_init函数，然后调用__iar_data_init3来进行全局和静态变量的初始化。在__iar_data_init3中，首先会调用__iar_zero_init3来初始化初始值为0的全局和静态变量，随后会调用__iar_copy_init3来初始化初始值为非0的全局和静态变量。最终，在启动过程的最后阶段，会通过调用__call_main来跳转到main函数，从而开始执行主程序。

最底层的硬件初始化。              

通过启动代码完成硬件初始化、内存配置

清零内存、配置时钟和外设，避免随机初始值导致程序异常。

全局变量初始化和堆栈设置是C程序运行的基础。

看一下MCU的启动文件就知道了

MCU芯片厂家会对不同系列的芯片配套不同的启动文件

配置GPIO、UART、定时器等外设的工作模式

从固定地址（如ARM Cortex-M的0x00000004）读取第一条指令，通常跳转到启动文件中的复位处理函数。

MCU在执行main函数之前，完成了硬件和软件的初始化工作，包括设置堆栈指针、初始化内存、配置时钟源、初始化外设、初始化静态变量和全局变量等。

中断是MCU响应外部或内部事件的重要机制。在启动时，需要建立中断向量表，将不同的中断源与相应的中断服务程序关联起来。当中断发生时，MCU能够根据中断向量表中的信息找到对应的中断服务程序入口地址，并进行跳转执行。

启动代码的第一条指令通常是设置堆栈指针（SP）的值，这个值指向RAM中的某个位置，为后续的函数调用和局部变量分配栈空间。

复位向量通常指向启动引导程序的起始地址。这个程序一般存储在Flash存储器的特定位置。

在进入main函数之前，C运行时环境会初始化所有的静态变量和全局变量，为其赋予初始值

初始化内核时钟、主时钟以及各个外设的时钟，为后续的指令执行和外设操作提供时钟信号。

复位向量执行：
MCU上电或复位后，从复位向量（Reset Vector）指定的地址开始执行程序。复位向量通常指向启动代码的开始位置。
设置堆栈指针（Stack Pointer, SP）：
启动代码首先设置堆栈指针，为程序的函数调用和局部变量分配堆栈空间。
初始化内存：
初始化RAM和特殊功能寄存器（SFR），确保内存处于已知状态。
配置时钟源：
配置MCU的时钟源（如外部晶振、内部RC振荡器等），设置系统时钟频率。
初始化外设：
根据需要初始化外设（如GPIO、定时器、中断控制器等），配置其工作模式。

CU上电或复位后，硬件会初始化到预定状态

硬件初始化              

当 MCU 上电、按下复位按钮或者发生其他复位事件时，MCU 会进入复位状态。

复位后，MCU 会从复位向量地址开始执行代码，通常会跳转到启动代码。启动代码一般由芯片厂商或开发环境提供，是一段汇编代码，它负责完成一些最基本的初始化操作。