ARM的启动流程

前言

每一个 C 语言程序员的旅程都是从 main() 函数开始的。但在嵌入式世界里，当电源接通的那一刻，距离 CPU 执行 main() 的第一行代码，中间其实隔着一段惊心动魄的旅程。
这段“真空期”发生了什么？堆栈是谁设置的？全局变量的初值是怎么从 Flash 飞到 RAM 里的？本文将抛开具体的芯片型号，从 Cortex-M 架构（M0/M3/M4/M7）的底层视角，还原这段不为人知的“启动秘史”。

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画流程图，按这个顺序画：
Power On（上电）
Fetch MSP & PC（硬件取栈顶和复位地址）
Reset_Handler （汇编入口）
SystemInit() -> 配置时钟
Copy Data -> Flash搬运变量到RAM
Clear BSS -> RAM清零
_start / __libc_init （C库环境）
main（） （你的代码）
vTaskStartScheduler （作系统接管）

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启动时间轴：

第一阶段：硬件的自动动作（The Hardware Sequence）

在软件介入之前，硬件电路会先执行一套固化的“硬逻辑”。当芯片上电复位（POR）或按下复位键后，Cortex-M 内核处于“懵懂”状态，它严格遵守以下两个步骤来寻找“人生的起点”：

1. 取栈顶地址 (Fetch MSP)

内核会自动读取内存地址 0x0000 0000 处的内容。

• 这个地址存放的值，被赋值给 MSP (Main Stack Pointer，主堆栈指针)。
• 为什么？ 就像盖房子先打地基，CPU 执行指令需要压栈（函数调用、保护现场），所以第一件事必须告诉 CPU：RAM 的顶端在哪里。

2. 取复位入口 (Fetch PC)

紧接着，内核读取内存地址 0x0000 0004 处的内容。

• 这个地址存放的值，被赋值给 PC (Program Counter，程序计数器)。
• 这个值就是 Reset_Handler (复位中断服务函数) 的入口地址。
• 此时： 硬件工作结束，PC 指针跳转，软件代码正式接管系统。

技术彩蛋： 这就是为什么向量表（Vector Table）必须放在 Flash 的起始位置（或者通过 VTOR 寄存器重映射），因为硬件只认这两个固定的偏移量。

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第二阶段：汇编启动代码（The Assembly Boot）

PC 指针跳转到了 Reset_Handler。这通常是一段汇编代码（.s 文件），因为此时 C 语言运行环境还没建立，无法执行复杂的 C 代码。这段汇编主要完成两大任务：

1. 系统时钟初始化 (System Clock Init)

• 刚上电时，为了确保稳定，MCU 通常使用内部的低速时钟（HSI，例如 8MHz）。
• 启动代码通常会调用一个类似 SystemInit 的函数（虽然是汇编调 C，但只做寄存器操作）。
• 目的： 开启外部晶振、配置 PLL（锁相环），把系统主频从“散步模式”拉到“赛车模式”（如 72MHz/160MHz），否则后面的代码跑起来会极慢。

2. 堆栈指针的最终确认

虽然硬件第一步已经读取了 MSP，但在某些编译器或安全设置下，启动代码可能会再次强制校准一下 SP 指针，确保 8 字节对齐（ARM AAPCS 标准要求）。

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第三阶段：C 语言环境构建（The C Runtime Construction）

这是面试中最核心的考点，也是启动流程中最“忙碌”的阶段。
C 语言中的全局变量分两种：已初始化的（int a=10;）和未初始化的（int b;）。在 Flash 里，它们只是静止的数据，我们需要把它们搬运到 RAM 中，程序才能动态修改它们。

1. 数据搬运 (Data Copy)

• 对象： .data 段（已初始化的全局变量/静态变量）。
• 现状： 变量的初值（如 10）必须保存在 Flash 里（掉电不丢失），但变量的地址是在 RAM 里。
• 动作： 启动代码通过循环指令，将 Flash 里的初值逐个字节拷贝到 RAM 对应的地址中。
• 结果： a 变量在内存里真的变成了 10。

2. 内存清零 (BSS Clear)

• 对象： .bss 段（未初始化或初始化为 0 的变量）。
• 现状： C 标准规定，未初始化的全局变量默认值为 0。但刚上电的 RAM 数据是随机的乱码。
• 动作： 启动代码将这块 RAM 区域全部清零。
• 结果： b 变量在内存里变成了 0。

通俗比喻：

• Data Copy 就像搬家，把家具（初值）从卡车（Flash）搬进新房（RAM）。
• BSS Clear 就像打扫卫生，把新房里原本的垃圾（随机值）清扫干净，让房间空空如也（全0）。

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内存搬运视图：

第四阶段：库初始化与跳转（Library Init & Jump）

1. C 库初始化 (__libc_init_array)

在进入用户代码前，编译器通常会插入标准库的初始化函数。

• 如果你用 C++，全局对象的构造函数在这里执行。
• 初始化堆（Heap）管理器（如果要用 malloc）。

2. 惊险一跃 (BL main)

万事俱备，汇编代码执行最后一条跳转指令：

BL main

• BL (Branch with Link): 跳转并记录返回地址。虽然实际上 main 函数一旦退出，系统通常会进入死循环，没有回头的路。
• 此时，PC 指针指向了你亲手写的 main() 函数的第一行。

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总结：为什么要懂这个？

很多嵌入式工程师会觉得：“我只要会写 main 里的逻辑不就好了吗？”
但理解启动流程是初级工程师向高级进阶的分水岭：

1. Bootloader 开发： 假如你要写 OTA 升级功能，你需要手动模拟这个过程（重定位向量表、跳转 PC）。
2. Crash 分析： 如果程序一上电就死机，连 main 都进不去，通常就是堆栈溢出或者时钟配置错误导致 Reset_Handler 没跑完。
3. 内存优化： 理解了 .data 和 .bss，你通过查看 .map 文件，就能精确控制 RAM 的占用。

下次当你按下复位键时，请记得：在那电光火石的几毫秒里，你的芯片已经为你跑完了一场马拉松。

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