單片機如何從上電復位執(zhí)行到main函數(shù)？

從事嵌入式開發(fā)的搭檔可能會思考過一個問題，我們一般都是使用芯片廠商提供的驅動庫和初始化文件，直接從main函數(shù)初始寫程序，那么系統(tǒng)上電之后，程序怎么引導進main函數(shù)執(zhí)行的呢？還有，系統(tǒng)上電之后RAM的數(shù)據(jù)是隨機的，那么定義的全局變量的初始值又是怎么實現(xiàn)的呢？

下面我將帶著這兩個問題，以Cortex-M架構為例，采用IAR EWARM作為編譯工具鏈，從系統(tǒng)上電之后執(zhí)行的第一條代碼初始，梳理系統(tǒng)的啟動過程，了解編譯器在此期間所做的工作。其他的工具鏈，如Keil和GCC在系統(tǒng)初始化過程所做的工作也是相似的，但詳細的實現(xiàn)有所差異。

1、啟動文件

芯片廠商提供的啟動文件，一般是采用匯編語言編寫，少數(shù)用C語言。在啟動文件中一般至少存在下面兩個局部內(nèi)容：

1、向量表

2、默認的中斷和異常處理程序

向量表實際上是一個數(shù)組，放置在存儲器的零地址，每個元素存儲的是各個中斷或異常處理程序的入口地址。以STM32F107芯片基于IAR工具的啟動文件為例：

文件的開頭定義了一個名為__vector_table的全局符號，“DATA”的作用是在代碼段中定義一個數(shù)據(jù)區(qū)，用作向量表。數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容是使用DCD指令定義的32位寬度常量，除了第一個sfe(CSTACK)比較特殊以為，其他的常量都是異常和中斷效勞程序的地址(在編譯時函數(shù)名會被替換成函數(shù)的入口地址)。sfe(CSTACK)是IAR匯編器段操作，用于獲取段(section)的完畢地址，在這里意欲何為呢？

實際上這是獲取堆?；刂返牟僮?/span>。IAR在鏈接器腳本(*.icf)文件中定義堆棧，實際是定義了一個名為“CSTACK”的空閑塊(block)，如下圖的腳本命令所示。所謂的塊就是保留一段不間斷的地址空間，用來作為堆?；蛘叨?。當然，塊也能夠是用內(nèi)容的，例如能夠用來管理段，但不在今天的探討范圍。

我們知道Cortex-M架構的堆棧模型是滿減棧，堆棧從高地址向低地址增長，因此堆棧的基地址是CSTACK的完畢地址。

向量表的第一個元素是?；愤@是由Cortex-M架構定義的。系統(tǒng)上電后硬件自動從向量表中獲取，并設置主堆棧指針MSP，而不是像其他ARM架構，堆棧指針須要通過軟件來設置。

向量表中第二個元素是復位異常(Reset_Handler)的入口地址。系統(tǒng)上電后，硬件自動從__vector_table + 4的位置讀取，并從讀取到的地址初始執(zhí)行。系統(tǒng)上電后CPU執(zhí)行的第一條是Reset_Handler函數(shù)的第一條語句。

上面的THUMB命令表示接下來的代碼采用THUMB模式(Cortex-M只支持Thumb-2指令集)；SECTION用于定義一個段，段名為“.ResetHandler”，段的類型是代碼(CODE)；REODER指示用給定的名稱開啟一個新的段；ROOT指示鏈接器，當段內(nèi)的符號沒有被引用，鏈接器也不能夠丟棄這個段。

PUBWEAK是弱定義，假如用戶在其他位置編寫了中斷處理函數(shù)，在連接時實際鏈接用戶所編寫的，啟動文件中用匯編寫的效勞函數(shù)會忽略。之所以要在啟動文件中以弱定義的方式編寫全部的異常和中斷效勞函數(shù)，是為了防止用戶在沒有編寫效勞函數(shù)的情況下開啟并觸發(fā)了中斷，導致系統(tǒng)的不確定。

2、系統(tǒng)初始化過程

在EWARM的工程Options > Debugger > Setup中將“Run to”勾選取消，這樣在進入調(diào)試之后就會停第一條要執(zhí)行的代碼的位置：

進入調(diào)試之后會停在啟動文件Reset_Handler函數(shù)第一條匯編指令位置：

此時，通過寄存器觀察窗口查看SP的值為0x20009820。通過鏈接時生成的map文件，查看CSTACK的地址范圍，0x20009820正好是CSTACK的完畢地址。有了MSP，C代碼就能運行了。

ystemInit函數(shù)是芯片廠商依據(jù)ARM的CMSIS規(guī)范提供的一個系統(tǒng)根底配置函數(shù)，配置根底的時鐘系統(tǒng)和向量表重定位等。這里的LDR是偽指令，它將SystemInit函數(shù)的地址加載到寄存器R0，實際上是通過PC偏移尋址來獲取SystemInit的地址。

從上面的圖能夠發(fā)現(xiàn)一個問題，在反匯編窗口能夠觀察到SystemInit的地址是0x20000150，但加載到R0寄存器后卻是0x20000151。這是由于在使用跳轉指令更新PC時，須要置PC的LSB為1，以表示THUMB模式，由于Cortex-M不支持ARM模式，因此LSB總是1。

執(zhí)行完芯片廠商提供的SystemInit函數(shù)之后，跳轉到__iar_program_start，這是IAR編譯器提供的初始化代碼的入口。

__iar_program_start首先會執(zhí)行兩個函數(shù)：__iar_init_core和__iar_init_vfp，能夠完成一些CPU和FPU相關的初始化操作，在某些ARM架構打包好的運行時庫會有這兩個函數(shù)，用戶也能夠重寫這兩個函數(shù)來自己實現(xiàn)一些相關的操作。

之后，跳轉到__cmain函數(shù)執(zhí)行。在__cmain中調(diào)用了一個__low_level_init函數(shù)，該函數(shù)專門用于提供給用戶編寫一個初階的初始化操作，它在全局變量初始化之前執(zhí)行，例如可用在__low_level_init中初始化SDRAM，這樣就能夠將全局變量定義到SDRAM中使用。

__low_level_init能夠在任意的C文件中編寫，注意它的返回值，假如返回0，后續(xù)就會跳過變量初始化操作，正常一般都是返回1。

3、全局變量的初始化

此后進入到__iar_data_init3函數(shù)，在這里會完成所有具有初始值的全局/靜態(tài)變量的賦值，以及零初始化全局/靜態(tài)變量的清零操作，分別調(diào)用__iar_copy_init3和__iar_zero_init3，將保存在ROM區(qū)由鏈接器生成的變量初始值復制到變量的地址。注意，新的EWARM版本默認變量初始化操作可能會采用壓縮算法，實際變量初始化調(diào)用的函數(shù)可能有區(qū)別。

在全局變量未初始化之前，通過watch窗口能夠看到，變量的值都是隨機數(shù)。

在__iar_data_init3執(zhí)行完成后，全部變量的初值賦值已經(jīng)完成。

在__cmain函數(shù)的最后，跳轉到用戶的main函數(shù)，最終初始用戶的代碼執(zhí)行。

了解了編譯器所提供的初始化過程和處理器架構，我們能夠依據(jù)自己的需求定制系統(tǒng)的初始化。

例如，在進入__iar_program_start之前，就能夠執(zhí)行必要的硬件初始化操作，能夠用匯編寫，也能夠用C寫。還能夠手動控制變量的初始化操作，自己實現(xiàn)變量的初始化。甚至，完全不采用IAR編譯器提供的初始化操作，自己從復位序列引導至main函數(shù)那也是能夠的。

硬件開發(fā)工具：

Altium Designer 17.1

編程開發(fā)工具：

KEIL 4

程序下載工具：

STC-ISP

串口驅動：

CH341SER

單片機最小系統(tǒng)介紹

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理才能的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，開展到此時的300M的高速單片機。本文的單片機特指51單片機，詳細芯片型號是STC89C52RC。需注意STC89C51,STC89C52，AT89C51,AT89C52都是51單片機的一種詳細芯片型號。

最小系統(tǒng)組成：

51單片機最小系統(tǒng)：單片機、復位電路、晶振（時鐘）電路、電源

最小系統(tǒng)用到的引腳

1、主電源引腳（2根）

VCC：電源輸寫，接＋5V電源

GND：接地線

2、外接晶振引腳（2根）

XTAL1：片內(nèi)振蕩電路的輸寫端

XTAL2：片內(nèi)振蕩電路的輸出端

3、控制引腳（4根）

RST/VPP：復位引腳

電源

設計使用的電源接口是DC 5V。USB座能夠查到手機充電口，電腦USB端取電。接好線路后，按下電源開關，單片機即可初始工作。

輸寫電源及啟動按鍵

DC 5V連接線

復位電路

復位電路

在電路圖中，電容的的大小是10uf，電阻的大小是10k。

在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。能夠算出電容充電到電源電壓的0.7倍，即電容兩端電壓為3.5V、電阻兩端電壓為1.5V時，須要的時長約為T=RC=10K*10UF=0.1S。

也就是說在單片機上電啟動的0.1S內(nèi)，電容兩端的電壓從0-3.5V不斷增加，這個時候10K電阻兩端的電壓為從5-1.5V不斷減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓），所以RST引腳所接管到的電壓是5V-1.5V的過程，也就是高電平到低電平的過程。

單片機RST引腳是高電平有效，即復位；低電平?jīng)]效，即單片機正常工作。所以在開機0.1S內(nèi)，單片機系統(tǒng)RST引腳接管到了時長為0.1S左右的高電平信號，所以實現(xiàn)了自動復位。

在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端構成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容初始釋放之前充的電量。隨著時長的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)?/span>了1.5V，甚至更小。依據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接管到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。

晶振電路

晶振電路

晶振根本概念晶振全名叫晶體振蕩器，每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，晶振是由石英晶體經(jīng)過加工并鍍上電極而做成的，主要的特性就是通電后會產(chǎn)生機械震蕩，能夠給單片機提供穩(wěn)定的時鐘源，晶振提供時鐘頻次越高，單片機的運行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機械能互相轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。

晶振起振后，產(chǎn)生的振動信號會通過XTAL1引腳，依次經(jīng)過振蕩器和時鐘發(fā)生器的處理，得到機器周期信號，作為指令操作的依據(jù)。51單片機常用的晶振是12M和11.0592M

元器件清單及樣機焊接

元器件清單

CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantity

30P陶瓷電容C2, C3CAP-2.54Cap2

10uF/16V直插電解電容CE1CAP 1.5*4*8CE1

CON9直插排阻10KJ0R SIP9-2.54CON91

CON22 Pin排針J4HDR2.54-LI-2PCON21

HEADER 44 Pin排針JP3, P6HDR2.54-LI-4PHEADER 42

紅色直插5mm LEDLED1, LED2LED 5MM-RLED-5MM2

CON84 Pin排針P0, P1, P2, P3HDR2.54-LI-8PCON84

KEY自鎖按鍵POWER_BUTTONSW-8X8X8HEADER 3X21

DC 5V電源DC 5V插座PW_5VDC05HEADER 31

10K電阻R1AXIAL0.3RES21

2K電阻R2, R3AXIAL0.3RES22

SW-PB輕觸按鍵S1SW-0606SW-PB1

STC89C52RC8-Bit Microcontroller with 4K Flash ROMU1DIP40AT89C511

11.0592M晶振Y1OSC HC-49SCRYSTAL1

假如不想直接焊芯片到板子，能夠買個下圖黑色的緊鎖座。規(guī)格選DIP40

PCB板制作

方法1：學校實驗室常用的DIY腐蝕電路板制作（略）

方法2：外發(fā)給專業(yè)的PCB工廠。舉薦嘉立創(chuàng)https://www.jlc.com/#

可代發(fā)，須要請私信

空板正反面：

空板

焊接注意事項

直插電解電容，和LED燈是有正負極之分的。

電解電容正負極分辨：

1.看實物套管

2.看引腳長短：

電解電容正極引線比較長、負極稍短

LED燈正負極分辨：

1.引腳長短也能夠看出來，發(fā)光二極管的正負極，引腳長的為正極，短的為負極。

2.萬用表打到二極管檔，分別短接LED燈引腳，假如亮，紅表筆接的是正極。

最終實物：

焊接好的實物如圖

程序燒錄及測試

測試用的51單片機型號是STC89C52RC，是國產(chǎn)品牌宏晶科技STC量產(chǎn)的8051單片機。

測試代碼

#include

#include

//數(shù)據(jù)類型定義

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

uchar flag1s = 0;

uint one_sec_flag = 0;

sbit TEST_LED=P1^0;

void main()

{

EA=1;//開總中斷

TMOD=0X01;//T0的工作模式為模式1

TH0=0X4C;

TL0=0X00;//11.0592M晶振 50ms定時初值

ET0=1; //允許定時器1中斷

TR0=1;//啟動定時器0

while(1)

{

if(flag1s)//一秒刷新一次

{

TEST_LED = 0;

}else{

TEST_LED = 1;

}

}

}

void Timer0() interrupt 1

{

TH0=0XBB;

TL0=0X00;

if(++one_sec_flag

return;//提前完畢函數(shù)

}

if(flag1s)

{

flag1s = 0;

}else{

flag1s = 1;

}

one_sec_flag=0;

}

編譯之后產(chǎn)生test.hex燒錄文件。

下載器及下載驅動

STC89C52單片機下載器實際上就是USB轉TTL串口，如下圖所示

某寶上的下載器

驅動：壓縮包中的CH341SER.EXE

先安裝驅動才能下載代碼到單片機中。

程序下載

硬件準備：

下載器的RXD連接芯片的TXD(P30),下載器的TXD連接芯片的RXD(P31),本設計引出了芯片的RXD和TXD，如上圖所示連接即可。

軟件準備：

STC-ISP.exe雙擊翻開，下載步驟

1選擇選擇單片機型號

2.選擇下載器的串口

3.翻開編譯生成的HEX文件

4.點擊下載

下載界面

等待

此時，按下電源開關給單片機上電，下載軟件會識別出單片機，然后自動下載程序。下載成功后會有提醒。

燒寫成功

測試效果：測試LED燈一秒間隔閃爍。

新一代燒寫工具 - STM32CubeProgrammer

STM32CubeProgrammer（STM32CubeProg）是STM32微控制器的專用編程工具。 STM32用戶都知道，當完成程序調(diào)試，須要對芯片進行程序代碼燒錄編程，一般會有三個選擇：通過調(diào)試接口【JTAG/SWD】?

AI電堂發(fā)表于STM32...

進修STM32單片機，繞不開的串口

剛初始學單片機的你，是不是會因用程序把LED點亮而感到高興，會因用程序把數(shù)碼管點亮而感到高興。這是好事，這也是想繼續(xù)進修下去的動力。但是數(shù)據(jù)相關的實驗是進修單片機和STM32的一道坎?

SugarlesS

MCS-51系列單片機串口通訊實驗(2)

1.實驗目標1)掌握51單片機串行通訊調(diào)試方法 2)會簡略的串行通訊協(xié)議編寫 2.實驗器材1）Widows操作系統(tǒng)的電腦。 2)調(diào)試軟件 keil仿真實驗版keil外掛串口調(diào)試工具軟件--sscom虛擬調(diào)試串口

彩蛋：最近有同學跟我要單片機的資料，我特意花幾個月時間，總結了我10年產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗，資料包幾乎覆蓋了C語言、單片機、模電數(shù)電、原理圖和PCB設計、單片機高級編程等等，非常適合初學者入門和進階。除此以外，再含淚分享我壓箱底的22個熱門開源項目，包含源碼+原理圖+PCB+說明文檔，不是市面上打包賣的那種課程，我認為教程多未必是好事，10年前我自學快，除了自身執(zhí)行力以外，還有就是教程少。不要害羞做伸手黨，等你一個小紅點。后期我也會組建一些純技術交流的小圈子，讓大家能認識更多的大佬，有個好的圈子，你對行業(yè)的認知一定是最前沿的。