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[其它产品/技术] 单片机从上电到 main()函数之间到底发生了什么？

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
AI, ma, 单片机, 函数, 运行, MCU
今天我们来聊一个容易被忽略的话题——从 MCU 芯片上电到 main() 函数运行，到底发生了什么？这篇文章，我们从零开始，手把手带你搞懂 MCU 的裸机 C 启动过程，顺便点亮一块开发板上的 LED 小灯，体验一下从“裸奔”到“优雅运行”的快感。


嵌入式开发的“潜规则”
如果你玩过单片机开发，尤其是基于 Cortex-M 系列的芯片，估计对下面这些“铁律”再熟悉不过：

程序入口必须叫 main。
全局静态变量得老老实实初始化，不然芯片会“擅自”给你清零。
中断处理函数一个都不能少，尤其是 HardFault_Handler 和 SysTick_Handler，得写得妥妥的。
每次提到这些规则，很多人都会一脸懵：“这到底咋来的？谁定的？”答案通常藏在那些让人头晕的启动文件中——一堆汇编代码，从一个项目复制粘贴到另一个项目，基本没人认真读，更别提改了。

今天，我们就来把这层神秘面纱掀开！从MCU 上电到 main() 函数运行的每一步，咱们都要搞得明明白白。不仅要弄懂，还要自己动手写一个最简洁的启动流程，彻底把裸机 C启动 的“前世今生”整清楚！
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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:52 | 显示全部楼层

实验环境

为了让大家能跟得上，我们选用课程32位单片机开发板来做实验，Cortex-M4 内核，性能强劲，性价比超高，特别适合用来学习。

实验环境如下：

硬件：Cortex-M4 内核的开发板
调试工具：Jlink V11
实验目标很简单：写个程序，让开发板上的 LED 小灯闪烁。代码不复杂，但麻雀虽小，五脏俱全，足够我们用来研究启动过程。

以下是我们的“点灯”代码，先贴出来给大家瞅瞅：
复制
  1. #include "MCUxx.h"
    


  2. 

  3. #define LED_PIN GPIO_PIN_13
    

  4. #define LED_PORT GPIOC
    


  5. 

  6. void set_output(GPIO_TypeDef* port, uint16_t pin) {
    

  7.     // 使能 GPIOC 时钟
    

  8.     RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOCEN;
    

  9.     
    

  10.     // 配置引脚为推挽输出
    

  11.     port->MODER &= ~(GPIO_MODER_MODER13); // 清零
    

  12.     port->MODER |= GPIO_MODER_MODER13_0;  // 设置为输出模式
    

  13.     port->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT13);  // 推挽输出
    

  14.     port->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR13; // 高速
    

  15.     port->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR13); // 无上拉/下拉
    

  16.     
    

  17.     // 默认输出低电平
    

  18.     port->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
    

  19. }
    


  20. 

  21. int main(void) {
    

  22.     set_output(LED_PORT, LED_PIN);
    

  23.     while (1) {
    

  24.         // 翻转 LED 状态
    

  25.         LED_PORT->ODR ^= LED_PIN;
    

  26.         // 简单延时
    

  27.         for (volatileuint32_t i = 0; i < 100000; i++) {}
    

  28.     }
    

  29. }


运行这段代码，板子上的 LED（接在 PC13 引脚）就会开始闪。这代码看着简单，但问题来了：我们是怎么从“上电”跑到 main() 的？芯片到底干了啥？别急，下面一步步拆解。
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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:54 | 显示全部楼层
上电之后，MCU在忙啥？

给开发板通电后，代码就开始跑了。这过程看似“天经地义”，但背后有一套固定的流程。想搞清楚细节，我们得翻翻 MCU的参考手册，顺便参考一下 Cortex-M4 的技术参考手册（ARMv7-M 架构）。

ARM 手册里有一段伪代码，描述了芯片复位后的行为（太长就不贴了，怕你们睡着），简单总结一下，MCU上电后会干这些事儿：

把向量表地址（VTOR）清零，设置为 0x00000000（默认指向 Flash）。
禁用所有中断，确保啥也不来捣乱。
从地址 0x00000000 加载主栈指针（MSP）。
从地址 0x00000004 加载程序计数器（PC）。
然后……直接跳到 PC 指向的地址开始执行！
看到这儿，你可能想：“哦！那 main() 函数肯定就在 0x00000004 咯！”别急，我们来验证一下。



验证：从二进制文件看真相

为了确认芯片到底跳转到哪儿，我们把编译好的二进制文件（.bin）拿出来看看，检查地址 0x00000000 和 0x00000004 里存了啥。用 xxd 命令 dump 一下：

$ xxd build/minimal/minimal.bin | head
00000000: 0080 2000 c100 0000 b500 0000 bb00 0000  .. ............
解析一下：

地址 0x00000000 存的是主栈指针（MSP），值是 0x20008000（RAM 顶部）。
地址 0x00000004 存的是程序计数器（PC）初始值，值是 0x000000c1。
咦？0x000000c1 是啥地址？我们再用 objdump 看看符号表，找找这个地址对应啥函数：

$ arm-none-eabi-objdump -t build/minimal.elf | sort
...
000000b4 g     F .text  00000006 NMI_Handler
000000ba g     F .text  00000006 HardFault_Handler
000000c0 g     F .text  00000088 Reset_Handler
000002ac g     F .text  0000002c main
...
有点意外！main() 函数在 0x000002ac，而 0x000000c1 附近是个叫 Reset_Handler 的函数（准确说是 0x000000c0，因为 Cortex-M 用 Thumb 指令集，地址最低位设为 1 表示 Thumb 模式，具体细节可以参考 ARMv7-M 手册 A2.3.1 节）。

真相大白！MCU上电后并不是直接跳到 main()，而是先跳到 Reset_Handler。这个 Reset_Handler 是个啥？它为啥这么重要？接着往下挖！
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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:55 | 显示全部楼层
Reset_Handler：从零开始的“管家”

Reset_Handler 可以看作是 MCU 的“启动管家”。它负责在上电后把环境收拾得干干净净，确保 main() 能顺利运行。想搞懂它的作用，我们得看看 Cortex-M4 的规范（参考 Cortex-M4 TRM，DDIo338 文档，5.9.2 节）。

手册里说，Reset_Handler 主要干这几件事：

初始化变量：把全局/静态变量设置好。没初始值的变量清零（放 BSS 段），有初始值的变量从 Flash 拷贝到 RAM（放数据段）。
设置栈：如果程序需要多个栈（比如主栈 MSP 和进程栈 PSP），得把它们初始化好。
初始化运行时环境：如果用到了 C/C++ 的高级功能（比如堆、浮点运算），得调用运行时初始化代码。
这跟 C 语言标准也有呼应。C 标准（5.1.2 节）规定：所有静态存储周期的变量（全局变量、静态变量）在程序启动前必须初始化。没赋初值的设为 0，有初值的设为指定值。

举个例子，假设有这么段代码：

复制
  1. static uint32_t foo;        // 默认初始化为 0
    

  2. static uint32_t bar = 2;    // 初始化为 2

Reset_Handler 的任务就是确保 foo 的内存是 0x00000000，bar 的内存是 0x00000002。但它不可能一个变量一个变量地去设，太麻烦了。实际操作中，编译器和链接器会帮忙把变量“归类”：

BSS 段：存放没初始值的静态变量（要清零），链接器提供 _sbss（起始地址）和 _ebss（结束地址）。
数据段：存放有初始值的静态变量，链接器提供：
_etext：初始值存储在 Flash 的地址。
_sdata：变量运行时的 RAM 地址。
_edata：数据段的结束地址。
有了这些信息，Reset_Handler 就能批量处理了。

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 星辰大海不退缩 于 2025-5-26 15:58 编辑

手写一个最简 Reset_Handler

与其对着 MCU官方启动文件（一堆汇编，头大）研究，不如咱们自己动手写一个简单清晰的 Reset_Handler！目标是完成变量初始化，然后跳到 main()。代码如下：

复制
  1. #include "MCUxx.h"
    


  2. 

  3. externuint32_t _etext;   // 数据段初始值在 Flash 的地址
    

  4. externuint32_t _sdata;   // 数据段起始地址（RAM）
    

  5. externuint32_t _edata;   // 数据段结束地址（RAM）
    

  6. externuint32_t _sbss;    // BSS 段起始地址
    

  7. externuint32_t _ebss;    // BSS 段结束地址
    


  8. 

  9. void Reset_Handler(void) {
    

  10.     // 1. 拷贝数据段初始值（从 Flash 到 RAM）
    

  11.     uint32_t *init_values_ptr = &_etext;
    

  12.     uint32_t *data_ptr = &_sdata;
    


  13. 

  14.     if (init_values_ptr != data_ptr) {
    

  15.         while (data_ptr < &_edata) {
    

  16.             *data_ptr++ = *init_values_ptr++;
    

  17.         }
    

  18.     }
    


  19. 

  20.     // 2. 清零 BSS 段
    

  21.     for (uint32_t *bss_ptr = &_sbss; bss_ptr < &_ebss;) {
    

  22.         *bss_ptr++ = 0;
    

  23.     }
    


  24. 

  25.     // 3. 跳转到 main()
    

  26.     main();
    


  27. 

  28.     // 4. 如果 main() 返回，进入死循环（防止跑飞）
    

  29.     while (1);
    

  30. }

解释一下：

数据段拷贝：把初始值从 _etext（Flash）拷贝到 _sdata 到 _edata（RAM），确保有初始值的变量值正确。
BSS 段清零：把 _sbss 到 _ebss 的内存清零，确保没初始值的变量是 0。
调用 main() ：环境准备好后，直接跳到 main()。
死循环：如果 main() 意外返回，死循环防止程序跑飞。
为了让代码更健壮，我们还可以加点 STM32F411 专属的初始化。比如，ST的需要确保系统时钟配置正确（否则默认用内部 HSI 16 MHz 运行，可能不满足某些场景需求）。我们可以在 Reset_Handler 中调用 SystemInit（ST 官方提供的函数）来搞定这些。改后的代码如下：

复制
  1. #include "MCUxx.h"
    


  2. 

  3. externuint32_t _etext;   // 数据段初始值在 Flash 的地址
    

  4. externuint32_t _sdata;   // 数据段起始地址（RAM）
    

  5. externuint32_t _edata;   // 数据段结束地址（RAM）
    

  6. externuint32_t _sbss;    // BSS 段起始地址
    

  7. externuint32_t _ebss;    // BSS 段结束地址
    


  8. 

  9. extern void SystemInit(void); // STM32 官方提供的系统初始化函数
    


  10. 

  11. void Reset_Handler(void) {
    

  12.     // 1. 拷贝数据段初始值
    

  13.     uint32_t *init_values_ptr = &_etext;
    

  14.     uint32_t *data_ptr = &_sdata;
    


  15. 

  16.     if (init_values_ptr != data_ptr) {
    

  17.         while (data_ptr < &_edata) {
    

  18.             *data_ptr++ = *init_values_ptr++;
    

  19.         }
    

  20.     }
    


  21. 

  22.     // 2. 清零 BSS 段
    

  23.     for (uint32_t *bss_ptr = &_sbss; bss_ptr < &_ebss;) {
    

  24.         *bss_ptr++ = 0;
    

  25.     }
    


  26. 

  27.     // 3. 调用系统初始化（设置时钟等）
    

  28.     SystemInit();
    


  29. 

  30.     // 4. 跳转到 main()
    

  31.     main();
    


  32. 

  33.     // 5. 死循环
    

  34.     while (1);
    

  35. }

注意：这里的 SystemInit 是MCU 官方固件库（或 HAL 库）提供的，负责初始化时钟、FPU（浮点单元，Cortex-M4 特有）等。如果不用官方库，也可以自己写时钟配置，比如手动设置 HSE 或 PLL。

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 楼主| 星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 15:58 | 显示全部楼层
总结：从“魔法”到“掌控”

通过这篇文章，我们从上电开始，一步步揭开了裸机 C 代码启动的秘密。原来，main() 并不是故事的起点，Reset_Handler 才是默默干活的幕后英雄！它初始化变量、设置环境、配置时钟，最后才把舞台交给 main()。

整个过程的核心逻辑其实不复杂：

芯片复位后从向量表加载 MSP 和 PC。
跳转到 Reset_Handler，完成变量初始化和系统设置。
最后调用 main()，开始执行用户代码。
希望这篇文章能让你对mcu裸机开发多一份掌控感。

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小夏天的大西瓜 发表于 2025-5-27 10:21 | 显示全部楼层
非常不错的资料
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