MCU 是如何从上电复位运行到 main 函数的？

前言

在笔者的上一篇文章中《中断服务子程序是如何被执行的》，详细阐述了中断响应以及执行的整个过程，其中涉及到关于中断向量表的相关知识，本篇文章再次以中断向量表为出发点阐述上电复位的整个过程。

复位的相关概念

复位就类似于我们的个人 PC 重启一样，又比 PC 的重启要简单一些。引起复位的原因也是多种多样，笔者在这里大致列出以下几种：

上电复位，也就是我们给我们的 MCU 通电后，其实也是一次复位的过程。

外部产生的手动复位信号，这个也比较常见，我们在平时学习所使用的开发板中就存在一个复位的按键，来实现手动的复位信号。

执行复位指令引发的复位

看门狗复位

。。。。。。

上述所示的复位虽然引起复位的原因各不相同，但是其复位的过程是一样的。

中断向量表

在之前的文章中《中断服务子程序是如何被执行的》叙述了中断向量表的每一个表项都存储了一个对应的中断服务子程序的入口地址，文章中所举出的例子外部中断，定时中断等都是单片机给片上外设还有外部的设备使用的中断，但是对于 MCU 来说，中断向量表还有一部分是给单片机内使用的，称之为异常，它也可以称之为是打断 CPU 后必须执行的一种特殊的中断，下图是异常的详细清单 ：

通过上图我们也可以看到复位，NMI和hardfault,他们的优先级是固定的，不能被编程，并且都是负数，也就是说优先级要高于其他的异常，在上述表中的第一项里面啥也没写，但是实际上他存放的是 MSP 的地址，这一点通过启动文件就能看出来，下图是 keil 环境下的启动文件：

上图中的 __initial_sp表示的就是栈的结束地址，即栈顶地址，栈是由高向低生长的。

中断向量表的位置

在上述中，我们说中断向量表中的第一项存的是栈顶地址，第二项存放的是复位的异常向量，那这一整个的中断向量表存放在哪里呢？实际上是对于不同的程序而言，可能存在数量不等的中断向量表，也就是说中断向量表的位置是可进行重定向的。

在通常情况下，我们将程序烧录到内部 FLASH 中，Flash 中的首地址是 0x0800 0000，那么中断向量表的位置如下所示：

如果我们的系统需要升级，那么在内部 Flash 中就被划分为两个部分，一个是 bootloader，一个是 APP，那么这个时候就需要两个中断向量表，中断向量表的位置如图所示：

在上图所示中，中断向量表存放到 APP 程序段的这个过程也被称之为向量表的重定向，在 STM32F103 中是这样子实现的：

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, offset);

上述中的 NVIC_VectTab_FLASH为 0x0800 0000，offset为中断向量表在此基础上的偏移。

复位的过程

知道了中断向量表的存储位置之后，现在来分析上电复位的过程，我们拿第一种情况来分析，也就是没有 bootloader的例子，那么在进行上电复位之后，大致是这样子一个过程：

将 0x08000000 位置存放的堆栈栈顶地址存放到 SP 中(MSP)

将 0x08000004 位置存放的向量地址装入 PC 程序计数器

CPU 从 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 条指令开始执行程序，也就是开始执行复位中断服务程序Reset_Handler

这个过程用图更清楚地表示为：

从上图可以更加清楚地看清楚复位的整个过程，简而言之，也就是说单片机上电复位之后，首先会将堆栈指针指向中断向量表的第一项，也就是堆栈栈顶，通过这一步确定了当前堆栈可用的范围，然后，初始化了 PC 指针，将 PC 指针指向中断向量表的第二项，从而能够去执行复位的异常服务程序，这样程序也就跑起来了。

执行到了复位的异常服务程序之后，又如何执行到我们用户所定义的 main 函数呢，我们来看复位的异常服务程序，代码如下：

这里我们看几个关键的部分不去深究细节，其中序号1所对应的代码表示的是会去执行SystemInit，对于 STM32F1 的处理器来说这个函数定义在 system_stm32f10x.c文件里，函数的主要功能是RCC 相关寄存器复位和中断向量表位置的重定向，其中就包括对于 STM32 bus clock 的设置。然后紧接着的序号2对应的代码表示的是会去执行 _main函数，_main 标号表示 C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序__main 的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈，并初始化映像文件，这里不进行展开说明，最后跳转到 C 程序的 main函数中。

总结

上述所述就是单片机从上电复位到用户的main函数中间这个过程所做的事，总结下来其实也就是上电复位，然后单片机从中断向量表的第一项中取出堆栈的栈顶地址赋给 MSP 指针，从而给单片机指定了一段可用的堆栈地址范围，然后将中断向量表的第二项的内容赋给 PC 指针，从而使得单片机执行复位异常服务程序，紧接着，单片机执行复位服务异常程序的内容，从而跳转到用户写的main函数，去执行用户定义的代码。这就是这次分享的内容啦~