MCU 是如何從上電復(fù)位運(yùn)行到 main 函數(shù)的？

筆者能力有限，如果文中出現(xiàn)錯(cuò)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(xì)闡述了中斷響應(yīng)以及執(zhí)行的整個(gè)過程，其中涉及到關(guān)于中斷向量表的相關(guān)知識(shí)，本篇文章再次以中斷向量表為出發(fā)點(diǎn)闡述從上電復(fù)位到用戶定義的 main 函數(shù)的整個(gè)過程。

復(fù)位的相關(guān)概念

復(fù)位就類似于我們的個(gè)人 PC 重啟一樣，又比 PC 的重啟要簡(jiǎn)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(shí)也是一次復(fù)位的過程。

• 外部產(chǎn)生的手動(dòng)復(fù)位信號(hào)，這個(gè)也比較常見，我們?cè)谄綍r(shí)學(xué)習(xí)所使用的開發(fā)板中就存在一個(gè)復(fù)位的按鍵，來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的復(fù)位信號(hào)。

• 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(gè)表項(xiàng)都存儲(chǔ)了一個(gè)對(duì)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(shí)中斷等都是單片機(jī)給片上外設(shè)還有外部的設(shè)備使用的中斷，但是對(duì)于 MCU 來說，中斷向量表還有一部分是給單片機(jī)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(xì)清單 ：

通過上圖我們也可以看到復(fù)位，NMI和hardfault,他們的優(yōu)先級(jí)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(jí)要高于其他的異常，在上述表中的第一項(xiàng)里面啥也沒寫，但是實(shí)際上他存放的是 MSP 的地址，這一點(diǎn)通過啟動(dòng)文件就能看出來，下圖是 keil 環(huán)境下的啟動(dòng)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(zhǎng)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(xiàng)存的是棧頂?shù)刂?，第二?xiàng)存放的是復(fù)位的異常向量，那這一整個(gè)的中斷向量表存放在哪里呢？實(shí)際上是對(duì)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(jìn)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：

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

在上圖所示中，中斷向量表存放到 APP 程序段的這個(gè)過程也被稱之為向量表的重定向，在 STM32F103 中是這樣子實(shí)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(chǔ)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(jìn)行上電復(fù)位之后，大致是這樣子一個(gè)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(jì)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(gè)過程用圖更清楚地表示為：

從上圖可以更加清楚地看清楚復(fù)位的整個(gè)過程，簡(jiǎn)而言之，也就是說單片機(jī)上電復(fù)位之后，首先會(huì)將堆棧指針指向中斷向量表的第一項(xiàng)，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(xiàng)，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：

這里我們看幾個(gè)關(guān)鍵的部分不去深究細(xì)節(jié)，其中序號(hào)1所對(duì)應(yīng)的代碼表示的是會(huì)去執(zhí)行SystemInit，對(duì)于 STM32F1 的處理器來說這個(gè)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(duì)于 STM32 bus clock 的設(shè)置。然后緊接著的序號(hào)2對(duì)應(yīng)的代碼表示的是會(huì)去執(zhí)行 _main函數(shù)，_main 標(biāo)號(hào)表示 C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫函數(shù)里的一個(gè)初始化子程序__main 的入口地址。該程序的一個(gè)主要作用是初始化堆棧，并初始化映像文件，這里不進(jìn)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(jī)從上電復(fù)位到用戶的main函數(shù)中這個(gè)過程所做的事，總結(jié)下來其實(shí)也就是上電復(fù)位，然后單片機(jī)從中斷向量表的第一項(xiàng)中取出堆棧的棧頂?shù)刂焚x給 MSP 指針，從而給單片機(jī)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(xiàng)的內(nèi)容賦給 PC 指針，從而使得單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位異常服務(wù)程序，緊接著，單片機(jī)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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