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MCU在执行main之前做了什么?

2023/08/14
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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)

对应的启动代码和相关文件信息会在map文件里面列出来:

同时map文件里面INIT TABLE章节会列出对应的全局和静态变量的初始化信息:初始值为0的会使用__iar_zero_init3进行初始化,初始值为非0的会使用__iar_copy_init3进行初始化:

调试

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。

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