打印
[生态工具]

MCU在执行main之前做了什么?

[复制链接]
309|23
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
跳转到指定楼层
楼主
jonas222|  楼主 | 2025-3-21 18:59 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
AI, MCU, ma, ar
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:
 \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。


使用特权

评论回复
沙发
youtome| | 2025-4-4 11:02 | 只看该作者
最底层的硬件初始化。              

使用特权

评论回复
板凳
sheflynn| | 2025-4-4 12:16 | 只看该作者
通过启动代码完成硬件初始化、内存配置

使用特权

评论回复
地板
jtracy3| | 2025-4-4 13:49 | 只看该作者
清零内存、配置时钟和外设,避免随机初始值导致程序异常。

使用特权

评论回复
5
jkl21| | 2025-4-4 16:51 | 只看该作者
全局变量初始化和堆栈设置是C程序运行的基础。

使用特权

评论回复
6
caigang13| | 2025-4-5 11:16 | 只看该作者
看一下MCU的启动文件就知道了

使用特权

评论回复
7
chenjun89| | 2025-4-5 16:29 | 只看该作者
MCU芯片厂家会对不同系列的芯片配套不同的启动文件

使用特权

评论回复
8
juliestephen| | 2025-4-5 19:58 | 只看该作者
配置GPIO、UART、定时器等外设的工作模式

使用特权

评论回复
9
eefas| | 2025-4-8 09:25 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
10
mmbs| | 2025-4-8 12:31 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
11
deliahouse887| | 2025-4-8 15:34 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
12
sanfuzi| | 2025-4-9 19:28 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
13
plsbackup| | 2025-4-10 00:58 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
14
gygp| | 2025-4-10 13:02 | 只看该作者
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

使用特权

评论回复
15
juliestephen| | 2025-4-10 15:07 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
16
maqianqu| | 2025-4-10 17:15 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
17
jimmhu| | 2025-4-10 19:19 | 只看该作者
CU上电或复位后,硬件会初始化到预定状态

使用特权

评论回复
18
minzisc| | 2025-4-10 21:22 | 只看该作者
硬件初始化              

使用特权

评论回复
19
everyrobin| | 2025-4-12 20:48 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
20
mmbs| | 2025-4-12 22:41 | 只看该作者
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。

使用特权

评论回复
发新帖 我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

42

主题

1510

帖子

0

粉丝