【risc-v专栏 07】启动与 bare-metal 流程

本篇定位:RISC-V 专题第 7 篇。本篇把"上电到 main 运行"的完整链路讲透:启动汇编必做 5 件事、多核启动、ROM 固化规则、链接脚本与启动的配合。读完后你能从零写一个 bare-metal 启动流程,能调任何启动死机。

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一、启动链路总览

RISC-V MCU 的典型启动链路:

上电
 │
 ▼
BootROM(出厂固化,只读)
 │  - 硬件复位向量跳到这里
 │  - 初始化最小环境(栈/时钟)
 │  - 加载下一级(Flash/bootloader)到 RAM
 │  - 跳转
 ▼
Bootloader(可选,多级)
 │  - 初始化更多外设(DDR/外设时钟)
 │  - 加载应用固件
 │  - 跳转
 ▼
Application / RTOS
 │  - _start 启动汇编
 │  - 初始化运行时(.data/.bss/gp/mtvec)
 │  - 调 main()
 ▼
main() 运行

各级职责分工

级	谁做	干什么
BootROM	芯片厂商	最小初始化 + 加载下一级
Bootloader	你	外设初始化 + 加载 app
App _start	启动汇编 + runtime	运行时初始化 + main

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二、启动汇编必做 5 件事(App _start)

这是本篇核心。App 启动汇编(crt0.s 或 startup.s)必须做 5 件事,缺一不可:

2.1 第 1 件:初始化 sp(栈指针)

_start:
    la   sp, _stack_top        # sp 指向栈顶(链接脚本定义)

• 栈用于函数调用、局部变量、中断保存
• sp 没初始化,任何 C 函数调用都崩(压栈写到野地址)
• 栈大小要够(中断嵌套深 + 任务多的场景),链接脚本里预留

2.2 第 2 件:初始化 gp(全局指针)⭐ RISC-V 特有

    .option push
    .option norelax          # 防 linker relaxation 把这步优化掉
    la   gp, __global_pointer$
    .option pop

• gp 指向 .sdata 段中点,用于 gp 相对寻址(②专题讲过)
• 忘了设 gp,gp 相对寻址全崩------访问小全局变量读到野地址
• .option norelax 必须加:linker relaxation 会把 la gp 优化成 mv gp,gp(无意义),必须禁掉这步 relaxation

gp 忘设是 RISC-V 启动常见崩点

ARM 没有 gp 概念,你 ARM 经验带过来容易漏这步。症状:启动早期随机崩溃,访问全局变量拿到错值。调试启动死机,先确认 gp 有没有设------这是 RISC-V 启动汇编最容易被漏的一步。

2.3 第 3 件:拷贝 .data 段(Flash → RAM)

    la   t0, _sidata          # .data 在 Flash 的加载地址(LMA)
    la   t1, _sdata           # .data 在 RAM 的运行地址(VMA)
    la   t2, _edata
1:  bgeu t1, t2, 2f
    lw   t3, 0(t0)
    sw   t3, 0(t1)
    addi t0, t0, 4
    addi t1, t1, 4
    j    1b
2:

• .data 是已初始化全局变量,存储在 Flash(掉电保留),运行时要在 RAM(可读写)
• 启动时从 Flash 拷到 RAM
• 不拷贝:.data 变量读到 Flash 的值,写它就崩(Flash 只读)

2.4 第 4 件:清零 .bss 段

    la   t0, _sbss
    la   t1, _ebss
    li   t2, 0
1:  bgeu t0, t1, 2f
    sw   t2, 0(t0)
    addi t0, t0, 4
    j    1b
2:

• .bss 是未初始化/初始化为 0 的全局变量,链接脚本不占 Flash(只记大小),运行时在 RAM
• C 标准要求 .bss 默认 0
• 不清零:全局变量是随机值,所有 if (flag==0) 类逻辑全错------常见诡异 bug 源

2.5 第 5 件:设置 mtvec(trap 入口)

    la   t0, trap_vector
    csrw mtvec, t0            # 配 trap 入口地址

• 没配 mtvec,任何异常/中断跳到默认地址(0 或保留),立刻死机套娃
• 必须在开中断前配好(开 MIE 后才有中断,但 trap 随时可能来,如 ecall/异常)

完整启动汇编骨架

.section .text.init
.global _start
_start:
    # 1. sp
    la   sp, _stack_top

    # 2. gp(防 relaxation)
    .option push
    .option norelax
    la   gp, __global_pointer$
    .option pop

    # 3. 拷 .data
    la   t0, _sidata
    la   t1, _sdata
    la   t2, _edata
1:  bgeu t1, t2, 2f
    lw   t3, 0(t0)
    sw   t3, 0(t1)
    addi t0, t0, 4
    addi t1, t1, 4
    j    1b
2:

    # 4. 清 .bss
    la   t0, _sbss
    la   t1, _ebss
    li   t2, 0
3:  bgeu t0, t1, 4f
    sw   t2, 0(t0)
    addi t0, t0, 4
    j    3b
4:

    # 5. mtvec
    la   t0, trap_vector
    csrw mtvec, t0

    # 6. (可选)初始化 FPU、cache、中断控制器
    # 7. 调 main
    call main

    # main 返回(不应该),死循环
5:  wfi
    j    5b

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三、链接脚本与启动的配合

启动汇编用的 _stack_top _sidata _sdata _edata _sbss _ebss __global_pointer$ 全是链接脚本定义的符号。

典型链接脚本结构

ENTRY(_start)

MEMORY {
    FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

SECTIONS {
    .text : {
        KEEP(*(.text.init))     /* 启动代码在前 */
        *(.text .text.*)
        *(.rodata .rodata.*)
    } > FLASH

    .data : {
        _sdata = .;             /* VMA: RAM 里运行地址 */
        *(.data .data.*)
        _edata = .;
    } > RAM AT > FLASH          /* LMA 在 Flash */
    _sidata = LOADADDR(.data);  /* .data 的 Flash 加载地址 */

    .bss : {
        _sbss = .;
        *(.bss .bss.*) *(COMMON)
        _ebss = .;
    } > RAM

    .sdata : {                  /* 小数据段,gp 寻址 */
        *(.sdata .sdata.*)
    } > RAM
    .sbss : {
        *(.sbss .sbss.*)
    } > RAM

    /* gp 指向 .sdata 中点 */
    __global_pointer$ = . + 0x800;   /* ±2KB 范围 */

    /* 栈 */
    _stack_top = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);
}

.data 的 LMA vs VMA

.data > RAM AT > FLASH:

• VMA(Virtual Memory Address)= RAM 地址,运行时在这里
• LMA(Load Memory Address)= Flash 地址,启动前在这里
  _sidata = LOADADDR(.data) 给启动汇编用,从这拷贝到 _sdata。LMA/VMA 概念不懂,启动汇编拷贝段就写不对。

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四、多核启动

RISC-V 多核(SMP)启动,所有核上电都进 BootROM,但通常只有一个核(核0)跑启动流程,其他核"park"等待。

4.1 主核(核0)流程

_start:
    csrr t0, mhartid
    bnez t0, park         # 非核0,去 park

    # 核0:正常启动流程
    la sp, _stack_top
    # ... 5 件事 ...
    call main

park:
    # 非主核:等待唤醒
    wfi                  # 低功耗等待中断
    j park               # 醒来再检查(或被主核引导)

4.2 主核唤醒从核

主核跑起来后,通过 MSI(写从核的 MSIP)或设置共享内存的启动地址,唤醒从核:

// 主核唤醒核1
*(uint32_t*)(CLINT + MSIP_OFFSET(1)) = 1;  // 触发核1的 MSI

从核的 MSI handler 里跳转到应用代码。

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五、ROM 固化规则

5.1 ROM 固化的三个硬条件

1. 位置无关或固定地址:ROM 烧死后地址不变
2. 不写自身所在段:ROM 只读
3. 可写状态在 SRAM:函数的可写全局状态必须在 SRAM,不能跟着代码在 ROM

5.2 ROM 固化与启动的关系

• BootROM 本身就是最大的"固化代码"
• 你固化的库函数(__divsi3/memcpy 等)在 ROM,主程序链接时 PROVIDE 指向 ROM 地址
• 启动汇编调用的早期函数(如 memcpy 拷 .data)若在 ROM,要先确认 ROM 可用

5.3 启动早期不能用的函数

启动汇编执行时,有些前提没建立,不能用:

• 不能调 printf(stdio 没初始化)
• 不能调 malloc(堆没初始化)
• 不能调依赖 .data 的函数(.data 还没拷)
• 不能调依赖全局对象的函数(C++ 构造没跑)

早期只能用:纯计算函数、ROM 固化的无状态函数、直接寄存器操作。

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六、启动死机调试

启动阶段死机最难调(没有 printf)。方法:

6.1 串口/JTAG 早期输出

• 用 UART 寄存器直接输出字符(不用 printf,绕过 stdio)
• 在启动汇编每步后输出标记,定位卡在哪步

_start:
    la sp, _stack_top
    uart_putc('1')        # sp 设完
    la gp, __global_pointer$
    uart_putc('2')        # gp 设完
    # ...

6.2 JTAG 单步

• JTAG 调试器能在启动早期挂上(若芯片支持)
• 单步执行启动汇编,看哪步崩

6.3 常见启动死机

症状	可能原因
启动即崩,无输出	sp 没设 / 复位向量错
访问全局变量崩	gp 没设
全局变量值错	.bss 没清零
写全局变量崩	.data 没拷贝(写 Flash)
开中断后崩	mtvec 没配
随机崩	链接脚本段地址错 / 栈溢出

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七、FreeRTOS 移植的启动钩子

FreeRTOS RISC-V port 在启动流程里挂钩:

7.1 FreeRTOS 需要的启动前提

• sp/gp/mtvec 已配(标准启动汇编)
• 定时器(CLINT mtimecmp/外设timer)可配
• 至少一个中断(MTI)使能

7.2 FreeRTOS 启动序列

// main 里
int main(void) {
    hardware_init();          // 你的外设初始化
    vPortDefineHeapRegions(); // FreeRTOS 堆
    xTaskCreate(...);         // 建任务
    vTaskStartScheduler();    // 启动调度器
    while(1);                 // 不应到这
}

vTaskStartScheduler() 内部:

1. 配定时器中断(vPortSetupTimerInterrupt 配 mtimecmp)
2. 开全局中断(MIE)
3. 切到第一个任务(用 mret 或类似机制切栈)

7.3 启动汇编里别开中断

• 启动汇编不开 MIE,等 FreeRTOS 调度器启动时再开
• 提前开中断,若 mtvec/handler 没就绪会崩

port 层就是连接"RISC-V 启动/trap/中断"和"FreeRTOS 调度"的胶水:① 配 mtvec 指向 FreeRTOS 的 trap entry;② trap entry 用 mscratch 切栈(④专题);③ tick 用 MTI;④ 任务切换在 trap 里完成。本专题 ③④⑤⑦ 合起来,就是 FreeRTOS port 的全部基础。

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八、ARM vs RISC-V 启动对照

	ARM Cortex-M	RISC-V
复位向量	向量表第1项(初始 SP)+ 第2项(reset)	BootROM 跳 _start(或向量表)
初始 SP	硬件自动从向量表加载	软件在 _start 里 la sp
gp	无	必须设(la gp, __global_pointer$)
.data 拷贝	启动代码做	启动代码做(一样)
.bss 清零	启动代码做	启动代码做(一样)
trap 入口	VTOR 配	mtvec 配
多核	Cortex-M 多核少	mhartid 判断主从

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九、本篇小结

• 启动链路:BootROM → Bootloader → App _start → main
• 启动汇编必做 5 件事:sp / gp / .data拷贝 / .bss清零 / mtvec
• gp 必须设且防 relaxation(.option norelax),RISC-V 特有易漏点
• 链接脚本的 LMA/VMA 概念:.data 在 Flash(LMA)运行在 RAM(VMA)
• 多核启动:mhartid 判断主从,从核 park,主核唤醒
• ROM 固化三硬条件:固定地址/不写自身段/状态在 SRAM
• 启动早期不能用 printf/malloc/依赖 .data 的函数
• FreeRTOS port 挂在启动流程上:mtvec/tick/MIE

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速查表

启动步骤	代码
设 sp	la sp, _stack_top
设 gp	.option norelax; la gp, __global_pointer$
拷 .data	从 _sidata 拷到 _sdata~_edata
清 .bss	_sbss~_ebss 清 0
配 trap	csrw mtvec, &trap_vector
主核判断	csrr t0, mhartid; bnez t0, park
跳 main	call main
.data LMA	_sidata = LOADADDR(.data)
gp 范围	__global_pointer$ = .sdata中点,±2KB

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