RISC-V 启动流程——从上电到 main 函数

真版赵小雷

124人浏览 · 2026-08-17 09:08:55

真版赵小雷 · 2026-08-17 09:08:55 发布

一颗 RISC-V 芯片从上电（Power-On Reset）到执行 main() 的完整过程。
这是芯片底层软件工程师的必备知识，也是 RISC-V 芯片公司（如时擎）面试高频考点。
参考《嵌入式自我修养》的"从电源到 main"框架，结合 RISC-V 特权架构与真实启动代码。

一、整体流程图

二、第一阶段：硬件复位（上电 → 第一条指令）

2.1 上电发生了什么

步骤	内容
1	电源稳定，复位信号（reset）拉低再拉高
2	CPU 内核被复位，所有寄存器清零
3	PC（程序计数器）被加载为复位向量地址
4	进入 Machine Mode（RISC-V 最高特权级）

2.2 RISC-V 复位向量在哪

RISC-V 规范没有规定固定的复位地址，由具体实现决定。常见情况：

芯片类型	复位向量地址	说明
裸机 MCU	`0x0000_0000` 或 Flash 基地址	上电直接跑 Flash/ROM 代码
Linux 级 SoC	`0x8000_0000` 或 `0x0001_0000`	SiFive HiFive 等
多核启动	各 hart 从同一复位向量启动，用 `mhartid` 区分	判断主核/从核

关键点：复位后第一条指令从复位向量开始取指，这是硬件决定的，不是软件配置的。

2.3 复位后的寄存器状态

寄存器	复位后状态	软件要做什么
`pc`	= 复位向量	无
通用寄存器 x0-x31	未定义（x0 恒为 0）	软件初始化
`sp`（x2）	未定义	必须软件设置栈
`gp`（x3）	未定义	必须软件设置（RISC-V 特有）
`mstatus`	大部分清零，MIE=0（关中断）	按需配置
`mtvec`	实现定义	软件设置异常向量
`mhartid`	= 当前 hart ID	多核判断用

RISC-V 与 ARM 的关键区别：ARM 上电后有 CPSR/SPSR 寄存器定义模式；RISC-V 没有 CPSR，用 mstatus CSR 表达状态。ARM 有固定复位向量表（0x0000 或 0xFFFF0000），RISC-V 复位地址由实现定义。

三、第二阶段：启动汇编 _start（crt0.S）

_start 是链接脚本指定的入口，是上电后执行的第一段软件。它做的事是"把硬件环境准备好，交给 C 语言"。

3.1 关中断 + 关看门狗

# 复位后 mstatus.MIE 通常已是 0，但显式确保
csrc mstatus, MIE        # 清中断使能位

# 关看门狗（防止启动过程中被复位）
# 具体操作依赖 SoC 的看门狗外设寄存器

为什么先关看门狗：启动过程可能耗时（拷贝 .data、清零 .bss），若看门狗超时会导致反复复位。这也是《嵌入式自我修养》强调的经典第一课。

3.2 初始化栈指针 sp（每个 hart 都要）

# 为当前 hart 设置栈
la sp, _stack_top        # 加载栈顶地址

多核场景下，每个 hart 需要独立的栈，通常用 mhartid 区分：

csrr t0, mhartid         # 读 hart ID
slli t0, t0, STACK_SHIFT # 乘以栈大小
la sp, _stack_top
sub sp, sp, t0           # 每个 hart 分配独立栈空间

关键点：没有栈，C 函数就无法调用（call 指令要把返回地址压栈）。所以设置 sp 是进入 C 之前的第一要务。

3.3 初始化全局指针 gp（RISC-V 特有，最易被问）

这是 RISC-V 区别于 ARM/x86 的独特环节：

.option push
.option norelax
la gp, __global_pointer$  # 链接脚本定义的符号
.option pop

为什么需要 gp：

RISC-V 的 lw/sw 指令用 gp 相对寻址访问全局变量（通过 linker relaxation 优化）
gp 约定指向 .sdata 段 + 0x800（小数据段中间偏移，±2KB 范围）
若 gp 未初始化，所有通过 gp 相对寻址的全局变量访问都会跳错地址

概念	说明
`.sdata` / `.sbss`	小数据段（small data），放入 gp 可达 ±2KB 的小变量
`__global_pointer$`	链接脚本定义的符号，= .sdata + 0x800
linker relaxation	编译期把绝对寻址优化为 gp 相对寻址，省一条指令

面试答法：RISC-V 启动里必须初始化 gp 寄存器，它指向 .sdata+0x800，用于全局变量的小数据段相对寻址；不初始化会导致全局变量访问错误。这是 RISC-V 特有的，ARM 没有。

3.4 重定位 .data 段（Flash → RAM）

为什么需要重定位：.data（已初始化全局变量）的加载地址 LMA 在 Flash（断电不丢），但运行地址 VMA 在 RAM（可写）。上电后必须把初值从 Flash 拷贝到 RAM。

# 拷贝 .data 段
la t0, _data_lma        # Flash 中的源地址（加载地址）
la t1, _data_vma        # RAM 中的目标地址（运行地址）
la t2, _data_end
copy_loop:
    lw t3, 0(t0)
    sw t3, 0(t1)
    addi t0, t0, 4
    addi t1, t1, 4
    bltu t1, t2, copy_loop

这些符号（_data_lma/_data_vma/_data_end）由链接脚本定义。

3.5 清零 .bss 段

.bss（未初始化全局变量）在运行时必须是 0，但 Flash 里不存它的内容，所以要在 RAM 里清零：

# 清零 .bss 段
la t0, _bss_start
la t1, _bss_end
zero_loop:
    sw zero, 0(t0)       # zero 是 x0，恒为 0
    addi t0, t0, 4
    bltu t0, t1, zero_loop

面试要点：.data 要"拷贝"（因为有初值），.bss 要"清零"（因为没有初值，运行前必须是 0）。两者都发生在进入 main 之前，否则全局变量的初始值不对。

3.6 设置异常向量 mtvec

la t0, trap_entry        # 异常处理入口
csrw mtvec, t0           # 写入 mtvec CSR

mtvec 的低 2 位定义模式：

00：直接模式，所有异常跳转到同一地址
01：向量模式，按异常类型跳转到不同偏移

四、第三阶段：跳转 main 与特权级切换

4.1 直接跳转（裸机 M 模式）

最简单的裸机场景，全程在 Machine Mode，直接调用：

call main                 # 或 jal ra, main

4.2 特权级切换（需要 U/S 模式时）

若需要从 M 模式切换到 U/S 模式（如跑 OS），用 mret：

# 设置返回后要进入的特权级
csrw mepc, main          # 返回地址 = main
# 设置 mstatus.MPP = 00 (U) 或 01 (S)
# 清除 mstatus.MPIE
mret                      # 触发特权级切换 + 跳转 mepc

要点：mret 会根据 mstatus.MPP 切换到目标特权级，并跳转到 mepc。这是从固件进入 OS 内核的标准方式。

五、第四阶段：main 之后的 C 运行环境

进入 main() 不代表万事大吉，C 运行环境还要靠一些"隐式"机制：

5.1 main 之前的隐藏工作

很多工具链（如 GCC）会插入 __libc_init_array 之类的调用，在 main 之前执行：

机制	作用
构造函数（constructor）	`__attribute__((constructor))` 函数，在 main 前执行
C++ 静态对象构造	全局对象的构造函数
`.init_array` 段	构造函数数组，逐个调用

5.2 main 的返回值与退出

裸机：main 通常 while(1) 死循环
有 OS：main 返回后调用 exit()，回到启动代码

六、链接脚本（Linker Script）——启动流程的"地图"

启动代码里所有符号（_stack_top、__global_pointer$、_data_lma 等）都来自链接脚本。它是理解启动流程的关键：

SECTIONS {
    . = 0x00000000;           /* 复位向量 / Flash 基地址 */

    .text : {                  /* 代码段 */
        *(.vectors)            /* 向量表放最前面 */
        *(.text)
    }

    .rodata : { *(.rodata) }   /* 只读数据 */

    .data : AT(LOADADDR(.data)) {  /* .data 加载在 Flash，运行在 RAM */
        __data_vma = .;
        *(.data)
        __data_end = .;
    } > RAM

    .sdata : {                 /* 小数据段，gp 寻址 */
        __global_pointer$ = . + 0x800;
        *(.sdata)
    } > RAM

    .bss : {
        __bss_start = .;
        *(.bss)
        __bss_end = .;
    } > RAM
}

段与 LMA/VMA 对照表

段	内容	LMA（加载）	VMA（运行）	启动处理
`.text`	代码	Flash	Flash（XIP）或 RAM	无需处理（或重定位）
`.rodata`	只读数据	Flash	Flash	无需处理
`.data`	已初始化全局变量	Flash	RAM	拷贝
`.sdata`	小数据段	Flash	RAM	拷贝 + gp 指向
`.bss`	未初始化全局变量	无	RAM	清零
栈	局部变量	无	RAM	设置 sp

七、面试速记（时擎必考）

7.1 一句话回答

“RISC-V 上电后，PC 跳到复位向量，进入 Machine Mode，执行启动汇编 _start：先关中断和看门狗，然后设置栈指针 sp 和全局指针 gp（RISC-V 特有），接着把 .data 段从 Flash 拷贝到 RAM、清零 .bss，设置异常向量 mtvec，最后跳转到 main。如果要从 M 模式切到 S/U 模式，用 mret 完成切换。”

7.2 高频追问与答案

追问	答案
为什么 .data 要拷贝？	.data 是已初始化全局变量，初值存在 Flash（LMA），运行时要写到 RAM（VMA），所以启动时拷贝
为什么 .bss 要清零？	.bss 是未初始化全局变量，Flash 不存内容，但运行前必须是 0，所以启动时清零
gp 寄存器干什么的？	RISC-V 特有，指向 .sdata+0x800，用于全局变量 gp 相对寻址（linker relaxation），不初始化会导致全局变量访问错误
sp 为什么必须软件设置？	复位后 sp 未定义，没有栈就无法调用 C 函数（call 要压返回地址）
mtvec 是什么？	异常向量基址 CSR，低 2 位定义直接/向量模式
怎么从 M 切到 U/S？	设 mepc=目标地址、mstatus.MPP=目标特权级，执行 mret
多核怎么区分主从？	读 mhartid CSR，主核（通常 0）做全局初始化，从核等信号
RISC-V 复位地址是多少？	规范不固定，实现定义（MCU 常 0x0，Linux SoC 常 0x8000_0000）

7.3 与真实启动代码的印证

真实芯片启动代码（如 Telink 的 cstartup_flash.S）结构一致：

.section .vectors 向量表，.org 0x0 放第一条指令 tj __reset
__start 是链接脚本指定入口
按 __LOAD_RAM/__LOAD_FLASH 宏决定是否重定位到 RAM
设置栈、关看门狗、初始化时钟，最后跳 C 代码

八、ARM 启动流程对比（Cortex-M 与 Cortex-A）

把 ARM 的启动流程对照 RISC-V 梳理，便于面试时"对比着讲"。
分两条线：Cortex-M（嵌入式 MCU，对应 Sharpa/时擎的 RTOS 场景）与 Cortex-A（应用处理器，对应后摩/知存的 Linux SoC 场景）。

8.1 Cortex-M 启动流程（嵌入式 MCU）

Cortex-M 上电流程：

步骤	内容
1	复位后，硬件从向量表地址（通常 `0x0000_0000`，可由 VTOR 重映射）取前两项
2	第 0 项（0x0）= 主栈指针 MSP 初始值，硬件自动加载到 SP
3	第 1 项（0x4）= Reset_Handler 复位向量，硬件自动加载到 PC
4	进入 Reset_Handler（Thread 模式 + 特权级）运行
5	Reset_Handler：关看门狗 → 拷贝 .data → 清零 .bss → SystemInit（时钟）→ __main → main

核心特点（与 RISC-V 最大的区别）：

特点	说明
SP 硬件自动加载	向量表首项是 MSP 初值，硬件自动设 SP，无需汇编设栈（RISC-V 必须软件设 sp）
无 gp 寄存器	全局变量用绝对地址或 PC 相对寻址（位置无关），无 RISC-V 的 gp 概念
NVIC 硬件向量表	中断由 NVIC 硬件管理，向量表基址 VTOR 可重定位
模式简单	Thread/Handler 模式 + 特权/非特权（CONTROL 寄存器控制）
异常返回即切换	用 `BX LR`（特殊 EXC_RETURN 值）触发异常返回与模式切换

8.2 Cortex-A 启动流程（应用处理器 / Linux SoC）

Cortex-A 上电流程：

步骤	内容
1	复位向量 `0x00000000` 或 `0xFFFF0000`（由 SCTLR.V 或实现决定）
2	进入最高异常等级 EL3（或 EL1），CPSR 决定复位后的初始模式（SVC）
3	用 MPIDR 区分多核（主核做全局初始化，从核等信号）
4	启动汇编：关中断/关 MMU/关 Cache → 设置各模式栈指针（SVC/IRQ/FIQ/ABT/UND）→ 设异常向量表 VBAR → 初始化 MMU/页表 → 跳 C
5	特权级逐级下降：EL3（固件）→ EL2（hypervisor）→ EL1（OS）→ EL0（应用），用 eret 切换

核心特点（与 RISC-V 的对应关系）：

Cortex-A 概念	RISC-V 对应	说明
CPSR/SPSR	mstatus	状态寄存器（模式位、中断使能）
VBAR	mtvec	异常向量基址寄存器
MPIDR	mhartid	多核 ID 区分
eret	mret	特权级切换 + 返回指令
EL0-EL3	M/S/U	特权级模型
每模式一个栈	每 hart 一个栈	栈组织差异

8.3 逐项对比总表

维度	ARM Cortex-M	ARM Cortex-A	RISC-V
复位向量	向量表：首项 SP + 次项 PC	`0x0` 或 `0xFFFF0000`	实现定义（MCU 常 0x0，SoC 常 0x8000_0000）
SP 初始化	硬件自动加载 MSP	软件设置各模式栈	软件设置 sp
全局指针	无	无	gp（RISC-V 特有）
状态寄存器	xPSR（CONTROL/PRIMASK）	CPSR/SPSR	mstatus CSR
异常向量	NVIC 向量表（VTOR）	VBAR	mtvec CSR
特权级	Thread/Handler + 特权/非特权	EL0-EL3	M/S/U
特权切换	异常返回（EXC_RETURN）	eret	mret
多核区分	—（单核为主）	MPIDR	mhartid
中断控制器	NVIC	GIC	PLIC / CLINT
.data/.bss 处理	拷贝/清零（同）	拷贝/清零（同）	拷贝/清零（同）

共性：三种架构都要"拷贝 .data、清零 .bss、初始化栈"，这是跨架构通用的启动步骤。
差异核心：Cortex-M 硬件代劳最多（自动设 SP），Cortex-A 模式栈最复杂（多模式多栈），RISC-V 最精简（软件设 sp + 特有的 gp）。

8.4 一句话对比

“ARM Cortex-M 上电后硬件自动加载 SP 和 PC（向量表前两项），RISC-V 要软件设 sp；ARM 没有 gp 寄存器，RISC-V 有 gp（指向 .sdata+0x800 做全局变量寻址）；ARM 用 CPSR/VBAR/eret，RISC-V 用 mstatus/mtvec/mret；Cortex-A 多核用 MPIDR 区分，RISC-V 用 mhartid。”