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MCU 是如何從上電復(fù)位運行到 main 函數(shù)的?

 西北望msm66g9f 2020-05-30

筆者能力有限,如果文中出現(xiàn)錯誤的地方,歡迎各位朋友能給我提出來,我將不勝感激,謝謝~

前言

在筆者的上一篇文章中《中斷服務(wù)子程序是如何被執(zhí)行的》,詳細闡述了中斷響應(yīng)以及執(zhí)行的整個過程,其中涉及到關(guān)于中斷向量表的相關(guān)知識,本篇文章再次以中斷向量表為出發(fā)點闡述從上電復(fù)位到用戶定義的 main 函數(shù)的整個過程。

復(fù)位的相關(guān)概念

復(fù)位就類似于我們的個人 PC 重啟一樣,又比 PC 的重啟要簡單一些。引起復(fù)位的原因也是多種多樣,筆者在這里大致列出以下幾種:

  • 上電復(fù)位,也就是我們給我們的 MCU 通電后,其實也是一次復(fù)位的過程。

  • 外部產(chǎn)生的手動復(fù)位信號,這個也比較常見,我們在平時學(xué)習(xí)所使用的開發(fā)板中就存在一個復(fù)位的按鍵,來實現(xiàn)手動的復(fù)位信號。

  • 執(zhí)行復(fù)位指令引發(fā)的復(fù)位

  • 看門狗復(fù)位

  • 。。。。。。

上述所示的復(fù)位雖然引起復(fù)位的原因各不相同,但是其復(fù)位的過程是一樣的。

中斷向量表

在之前的文章中《中斷服務(wù)子程序是如何被執(zhí)行的》敘述了中斷向量表的每一個表項都存儲了一個對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序的入口地址,文章中所舉出的例子外部中斷,定時中斷等都是單片機給片上外設(shè)還有外部的設(shè)備使用的中斷,但是對于 MCU 來說,中斷向量表還有一部分是給單片機內(nèi)使用的,稱之為異常,它也可以稱之為是打斷 CPU 后必須執(zhí)行的一種特殊的中斷,下圖是異常的詳細清單 :

系統(tǒng)異常清單


通過上圖我們也可以看到復(fù)位,NMIhardfault,他們的優(yōu)先級是固定的,不能被編程,并且都是負(fù)數(shù),也就是說優(yōu)先級要高于其他的異常,在上述表中的第一項里面啥也沒寫,但是實際上他存放的是 MSP 的地址,這一點通過啟動文件就能看出來,下圖是 keil 環(huán)境下的啟動文件:

啟動文件


上圖中的 __initial_sp表示的就是棧的結(jié)束地址,即棧頂?shù)刂?,棧是由高向低生長的。

中斷向量表的位置

在上述中,我們說中斷向量表中的第一項存的是棧頂?shù)刂?,第二項存放的是?fù)位的異常向量,那這一整個的中斷向量表存放在哪里呢?實際上是對于不同的程序而言,可能存在數(shù)量不等的中斷向量表,也就是說中斷向量表的位置是可進行重定向的。
在通常情況下,我們將程序燒錄到內(nèi)部 FLASH 中,F(xiàn)lash 中的首地址是 0x0800 0000,那么中斷向量表的位置如下所示:

中斷向量表位置


如果我們的系統(tǒng)需要升級,那么在內(nèi)部 Flash 中就被劃分為兩個部分,一個是 bootloader,一個是 APP,那么這個時候就需要兩個中斷向量表,中斷向量表的位置如圖所示:

中斷向量表存放位置


在上圖所示中,中斷向量表存放到 APP 程序段的這個過程也被稱之為向量表的重定向,在 STM32F103 中是這樣子實現(xiàn)的:

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, offset);

上述中的 NVIC_VectTab_FLASH為 0x0800 0000,offset為中斷向量表在此基礎(chǔ)上的偏移。

復(fù)位的過程

知道了中斷向量表的存儲位置之后,現(xiàn)在來分析上電復(fù)位的過程,我們拿第一種情況來分析,也就是沒有 bootloader的例子,那么在進行上電復(fù)位之后,大致是這樣子一個過程:

  • 將 0x08000000 位置存放的堆棧棧頂?shù)刂反娣诺?SP 中(MSP)

  • 將 0x08000004 位置存放的向量地址裝入 PC 程序計數(shù)器

  • CPU 從 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 條指令開始執(zhí)行程序,也就是開始執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序Reset_Handler

這個過程用圖更清楚地表示為:

復(fù)位過程


從上圖可以更加清楚地看清楚復(fù)位的整個過程,簡而言之,也就是說單片機上電復(fù)位之后,首先會將堆棧指針指向中斷向量表的第一項,也就是堆棧棧頂,通過這一步確定了當(dāng)前堆??捎玫姆秶?,然后,初始化了 PC 指針,將 PC 指針指向中斷向量表的第二項,從而能夠去執(zhí)行復(fù)位的異常服務(wù)程序,這樣程序也就跑起來了。
執(zhí)行到了復(fù)位的異常服務(wù)程序之后,又如何執(zhí)行到我們用戶所定義的 main 函數(shù)呢,我們來看復(fù)位的異常服務(wù)程序,代碼如下:

復(fù)位異常服務(wù)程序


這里我們看幾個關(guān)鍵的部分不去深究細節(jié),其中序號1所對應(yīng)的代碼表示的是會去執(zhí)行SystemInit,對于 STM32F1 的處理器來說這個函數(shù)定義在 system_stm32f10x.c文件里,函數(shù)的主要功能是RCC 相關(guān)寄存器復(fù)位和中斷向量表位置的重定向,其中就包括對于 STM32 bus clock 的設(shè)置。然后緊接著的序號2對應(yīng)的代碼表示的是會去執(zhí)行 _main函數(shù),_main 標(biāo)號表示 C/C++標(biāo)準(zhǔn)實時庫函數(shù)里的一個初始化子程序__main 的入口地址。該程序的一個主要作用是初始化堆棧,并初始化映像文件,這里不進行展開說明,最后跳轉(zhuǎn)到 C 程序的 main函數(shù)中。

總結(jié)

上述所述就是單片機從上電復(fù)位到用戶的main函數(shù)中這個過程所做的事,總結(jié)下來其實也就是上電復(fù)位,然后單片機從中斷向量表的第一項中取出堆棧的棧頂?shù)刂焚x給 MSP 指針,從而給單片機指定了一段可用的堆棧地址范圍,然后將中斷向量表的第二項的內(nèi)容賦給 PC 指針,從而使得單片機執(zhí)行復(fù)位異常服務(wù)程序,緊接著,單片機執(zhí)行復(fù)位服務(wù)異常程序的內(nèi)容,從而跳轉(zhuǎn)到用戶寫的main函數(shù),去執(zhí)行用戶定義的代碼。這就是這次分享的內(nèi)容啦

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