RISC-V之启动文件

2025-02-22

针对 RISC-V 的启动文件。

嵌入式系统中启动文件与链接脚本的协同工作机制

一、启动文件的存在形式与定位

常见文件命名：
- 典型命名：startup_*.s / crt0.s / boot.s
- 芯片厂商提供：startup_stm32f4xx.s（ST官方库）
- 编译器自动生成：crt0.o（GCC默认启动代码）

项目中的隐藏位置：

# 在工程目录搜索启动文件
find . -name "*startup*.s" -o -name "crt0.*"
# 典型路径：
# ./Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32F4xx/Source/Templates/arm/startup_stm32f429xx.s

编译系统集成：

1 2	# Makefile示例（隐含使用启动文件） SRCS += $(wildcard startup/*.s) # 可能被包含在构建系统中

二、启动文件核心功能解析

基础架构：

.section .vectors
.word _stack_top     /* 主堆栈指针初始值 */
.word Reset_Handler  /* 复位向量 */
.word NMI_Handler
/* ...其他中断向量 */

.text
.global Reset_Handler
Reset_Handler:
    /* 1. 初始化时钟系统 */
    bl SystemInit
    /* 2. 数据段搬运 */
    ldr r0, =_sidata  /* Flash中的数据起始 */
    ldr r1, =_sdata   /* RAM中的数据起始 */
    ldr r2, =_edata
    cmp r1, r2
    beq clear_bss
copy_data:
    ldr r3, [r0], #4
    str r3, [r1], #4
    cmp r1, r2
    blt copy_data
    /* 3. BSS段清零 */
clear_bss:
    ldr r0, =_sbss
    ldr r1, =_ebss
    mov r2, #0
    cmp r0, r1
    beq setup_stack
zero_loop:
    str r2, [r0], #4
    cmp r0, r1
    blt zero_loop
    /* 4. 设置堆栈指针 */
setup_stack:
    ldr sp, =_stack_top
    /* 5. 跳转到main函数 */
    bl main
    /* 6. 故障处理 */
Infinite_Loop:
    b Infinite_Loop

三、无显式启动文件的三种可能场景

编译器默认启动代码：

1 2	# GCC的默认crt0.o包含基础启动逻辑 riscv-none-embed-gcc -nostartfiles # 显式禁用默认启动代码

库文件内嵌启动代码：

1 2	// 在标准库中隐藏的初始化代码（如newlib的libc.a） __libc_init_array(); // 在main()之前执行

纯C伪启动代码：

// 通过__attribute__构造的初始化段
__attribute__((section(".init"))) void _start(void) {
    __asm volatile("la sp, _stack_top");
    main();
    while(1);
}

四、系统启动流程验证方法

逆向分析ELF文件：

riscv64-unknown-elf-objdump -d program.elf | grep -A20 "Reset_Handler"
# 输出示例：
# 20000000 <Reset_Handler>:
# 20000000:   00000097        auipc   ra,0x0
# 20000004:   010080e7        jalr    16(ra) # 20000010 <SystemInit>

符号表检查：

1	riscv64-unknown-elf-nm program.elf \| grep -E '_start\|Reset_Handler\|__libc_init_array'

调试器跟踪：

1
2
3

(gdb) monitor reset  # 复位目标
(gdb) si             # 单步执行观察初始化流程
(gdb) x/10i 0x20000000  # 查看复位处理程序

五、构建无显式启动文件的系统

最小可运行示例：

// main.c
#define STACK_SIZE 1024
unsigned int _stack[STACK_SIZE] __attribute__((section(".stack")));

void _start(void) {
    asm volatile("la sp, _stack + %0" : : "i"(STACK_SIZE*4));
    main();
    while(1);
}

int main() {
    *(volatile int*)0x10000000 = 0x55; // 外设测试
    return 0;
}

对应链接脚本：

MEMORY {
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
}

SECTIONS {
    . = 0x20000000;
    .text : { *(.text) }
    .stack : {
        . = ALIGN(8);
        _stack = .;
        . += 1024;
        _stack_top = .;
    } > RAM
}

编译验证：

1	riscv64-unknown-elf-gcc -nostartfiles -T link.ld main.c -o minimal.elf

六、工业级项目实践建议

启动文件要素检查表：

要素	是否完成	验证方法
堆栈指针初始化	✔️	查看SP寄存器初始值
数据段搬运	✔️	观察全局变量初始值
BSS段清零	✔️	检查未初始化变量是否为0
时钟系统初始化	✔️	测量系统时钟频率
中断控制器配置	✔️	触发测试中断
C库初始化	✔️	测试malloc/printf等

多核启动方案：

// 核0启动流程
Reset_Handler:
    bl SystemInit
    bl __main          // C库初始化
    bl main

// 核1启动流程
Core1_Entry:
    csrr a0, mhartid
    bnez a0, core1_main
    j Reset_Handler
core1_main:
    la sp, _core1_stack_top
    bl core1_entry

安全启动增强：

Reset_Handler:
    /* 1. 校验签名 */
    bl verify_signature
    bne a0, zero, _fault

    /* 2. 解密代码 */
    la a0, _encrypted_start
    la a1, _decrypted_start
    bl decrypt_data

    /* 3. 初始化安全外设 */
    bl secure_hw_init

七、常见问题诊断指南

症状：程序运行后立即进入HardFault
- 检查堆栈指针是否越界
- 验证向量表地址与SCB->VTOR寄存器值
- 使用调试器查看LR寄存器值定位错误位置
症状：全局变量初始值不正确
- 对比_sidata与_sdata的地址差是否符合预期
- 检查启动代码中的数据拷贝循环逻辑
- 确认链接脚本中.data段的AT>指定正确
症状：静态变量未自动清零
- 确认.bss段的起始结束地址是否正确对齐
- 检查启动代码中的清零循环是否执行
- 查看map文件中.bss段是否被正确分配

通过理解启动文件与链接脚本的配合机制，开发者可以更好地掌控嵌入式系统的底层运行逻辑。建议在实际项目中保留完整的启动文件，即使使用厂商提供的默认版本，也需要根据具体硬件配置进行必要修改。

本文作者： ICXNM-ZLin
本文链接： https://talent-tudou.github.io/2025/02/22/RISC-V/RISC-V之启动文件/
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