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在嵌入式系统开发中，当我们编写完 main() 函数并下载程序后，MCU 是如何开始运行的？为什么变量能拥有初始值、全局变量能自动清零、函数调用不会崩溃？这一切的背后，都离不开一段关键但常被忽视的代码——程序启动代码（Startup Code）。

启动代码通常由编译器或芯片厂商提供，以汇编语言或 C 语言编写，它在 main() 函数执行之前运行，负责为 C 环境的正常运行做好一切准备。本文将详细解析启动代码的五大核心任务。

1. 异常向量表（Exception Vector Table）

异常向量表是启动代码中最先定义的部分，它位于程序存储器（Flash）的起始地址，通常是复位后 CPU 第一时间读取的数据。

• 作用：存放中断和异常服务程序（ISR）的入口地址。
• 内容：包括初始栈指针值（MSP）、复位处理程序地址，以及 NMI、HardFault、SysTick 等异常的处理函数地址。
• 示例（以 ARM Cortex-M 为例）：

__Vectors:
    DCD     __initial_sp            ; 初始化栈指针
    DCD     Reset_Handler           ; 复位中断处理程序
    DCD     NMI_Handler
    DCD     HardFault_Handler
    ; ... 其他异常

当 MCU 上电或复位时，CPU 首先从向量表中读取栈指针值，然后跳转到 Reset_Handler，启动代码的后续流程由此展开。

2. 从 Flash 拷贝 .data 段至 RAM

C 语言中，全局变量和静态变量如果被显式初始化（如 int x = 10;），其初始值必须在程序启动时可用。但由于 RAM 掉电丢失，这些值必须预先存储在 Flash 中，并在运行时复制到 RAM。

• .data 段：存放已初始化的全局/静态变量。

• 启动代码任务：

  • 确定 .data 段在 Flash 中的源地址；
  • 确定其在 RAM 中的目标地址；
  • 将数据从 Flash 拷贝到 RAM。

• 伪代码示例：

extern unsigned long _sidata;  // .data 在 Flash 中的起始地址
extern unsigned long _sdata;   // .data 在 RAM 中的起始地址
extern unsigned long _edata;   // .data 在 RAM 中的结束地址

unsigned long *src = &_sidata;
unsigned long *dst = &_sdata;

while (dst < &_edata) {
    *dst++ = *src++;
}

这一步确保了 int led_status = 1; 这样的变量在程序启动后立即具有正确的初始值。

3. 清零 .bss 段

未初始化的全局变量和静态变量（如 int count;）默认值为 0。它们被编译器放入 .bss 段。

• .bss 段：不占用 Flash 空间（只记录大小），但运行时必须在 RAM 中分配空间并初始化为 0。

• 启动代码任务：将 .bss 段对应的 RAM 区域全部清零。

• 伪代码示例：

extern unsigned long _sbss;     // .bss 起始地址
extern unsigned long _ebss;     // .bss 结束地址

unsigned long *dst = &_sbss;
while (dst < &_ebss) {
    *dst++ = 0;
}

若跳过此步，未初始化变量将包含 RAM 中的随机值，可能导致程序行为不可预测。

4. 设置栈指针（Stack Pointer）

栈（Stack）用于函数调用、局部变量存储、中断上下文保存等。栈指针（SP）必须在任何函数调用前正确设置。

• 在异常向量表中，第一个条目就是初始栈指针值（通常指向 RAM 的最高地址）。
• 启动代码在跳转到 main() 前，会确保栈指针已由硬件或软件正确加载。

⚠️ 注意：在 ARM Cortex-M 架构中，复位后 CPU 会自动从向量表第一个字读取栈指针值，因此无需在代码中显式设置。但在某些架构（如 RISC-V 或自定义处理器）中，可能需要手动配置 SP。

5. 跳转至 main() 函数

完成上述所有初始化后，启动代码的使命即将完成。最后一步是：

bl main          ; 调用 main 函数

或

ldr pc, =main    ; 跳转到 main

从此，程序进入用户编写的 main() 函数，正式开始应用逻辑的执行。

🔄 后续：main() 函数通常不会返回。如果返回，启动代码应包含一个无限循环或错误处理（如 while(1);），防止程序“跑飞”。

总结：启动代码的完整流程

附加说明：谁在使用启动代码？

• 裸机开发：开发者直接使用或修改启动代码（如 startup_stm32f407xx.s）。
• RTOS 系统：FreeRTOS、RT-Thread 等仍依赖启动代码完成底层初始化。
• IDE 自动生成：Keil、IAR、GCC 工具链通常会自动链接正确的启动文件。

结语

启动代码虽短，却是嵌入式系统稳定运行的基石。理解其工作原理，不仅能帮助我们更好地调试“程序无法启动”、“变量值异常”等问题，也为深入掌握 MCU 底层机制打下坚实基础。下次当你按下复位键时，不妨想一想：那段沉默的启动代码，正在默默为你铺平通往 main() 的道路。

💡 小贴士：可通过反汇编 .elf 文件或查看 startup_*.s 源码，亲眼见证启动代码的执行过程。