在main之前，IAR都做了什么

Posted 2023-04-11

参考技术A 　　最近要在Cortex-M3上写一个简单的操作系统，打算使用IAR，为了写好启动代码，花了一些时间了解了IAR在main()以前做了些什么事。

　　

　　

　　首先系统复位时，Cortex-M3从代码区偏移0x0000'0000处获取栈顶地址，用来初始化MSP寄存器的值。

　　接下来从代码区偏移0x0000'0004获取第一个指令的跳转地址。这些地址，是CM3要求放置中断向量表的地方。

　　这里是一个程序的启动区的反汇编：

　　__vector_table:
　　08004000 2600

　　08004002 2000

　　08004004 7E1D

　　08004006 0800

　　

　　这个程序是由IAP程序来启动的，IAP程序获取0x0800'4000处的MSP值(0x20002600)，并设置为MSP的值，即主堆栈最大范围是0x2000'0000~0x2000'25FF。接下来IAP程序获取0x0800'4004处的Reset_Handler的地址(0x0800'7E1D)，并跳转到Reset_Handler()执行。

　　

　　IAP在这里完全是模仿了Cortex-M3的复位序列，也就是说，在没有IAP的系统上，CM3只能从0x0800'0000获取MSP，从0x0800'0004获取第一条指令所处地址。而IAP就存在在0x0800'0000这个地址上，IAP的启动，已经消耗掉了这个复位序列，所以IAP要启动UserApp程序的时候，也是完全模仿Cortex-M3的复位序列的。

　　

　　接下来我们看看复位后第一句指令——Reset_Handler()函数里有什么。

　　若我们使用的是ST公司标准外设库，那么已经有了现成的Reset_Handler，不过他是弱定义——PUBWEAK，可以被我们重写的同名函数覆盖。一般来说，我们使用的都是ST提供的Reset_Handler，在V3.4版本的库中，可以在startup_stm32f10x_xx.s中找到这个函数：

　　

　　PUBWEAK Reset_Handler
　　SECTION .text:CODE:REORDER(2)
　　Reset_Handler
　　LDR R0, =SystemInit
　　BLX R0
　　LDR R0, =__iar_program_start
　　BX R0

　　

　　看来ST没有做太多的事，他只调用了自家库提供的SystemInit函数进行系统时钟、Flash读取的初始化，并把大权交给了__iar_program_start这个IAR提供的“内部函数”了，我们就跟紧这个__iar_program_start跳转，看看IAR做了什么，上面一段代码的反汇编如下：

　　

　　Reset_Handler:
　　__iar_section$$root:
　　08007E1C 4801 LDR R0, [PC, #0x4]; LDR R0, =SystemInit
　　08007E1E 4780 BLX R0;BLX R0
　　08007E20 4801 LDR R0, [PC, #0x4];LDR R0, =__iar_program_start
　　08007E22 4700 BX R0;BX R0
　　08007E24 6C69

　　08007E26 0800

　　08007E28 7D8D

　　08007E2A 0800

　　

　　细心的观众会发现地址是0x0800'7E1C，比我们查到的0x0800'7E1D差了1，这是ARM家族的遗留问题，因为ARM处理器的指令至少是半字对齐的(16位THUMB指令集 or 32位ARM指令集)，所以PC指针的LSB是常为0的，为了充分利用寄存器，ARM公司给PC的LSB了一个重要的使命，那就是在执行分支跳转时，PC的LSB=1，表示使用THUMB模式，LSB=0，表示使用ARM模式，但在最新的Cortex-M3内核上，只使用了THUMB-2指令集挑大梁，所以这一位要常保持1，所以我们查到的地址是0x0800'7E1D(C=1100,D=1101)，放心，我们的CM3内核会忽略掉LSB(除非为0，那么会引起一个fault)，从而正确跳转到0x0800'7E1C。

　　

　　从0x0800'7E20处的加载指令，我们可以算出__iar_program_start所处的位置，就是当前PC指针(0x0800'7E24)，再加上4，即0x0800'7E28处的所指向的地址——0x0800'7D8D(0x0800'7D8C)，我们跟紧着跳转，__iar_program_start果然在这里：

　　

　　__iar_program_start:
　　08007D8C F000F88C BL __low_level_init
　　08007D90 2800 CMP R0, #0x0
　　08007D92 D001 BEQ __iar_init$$done
　　08007D94 F7FFFFDE BL __iar_data_init2

　　08007D98 2000 MOVS R0, #0x0
　　08007D9A F7FDFC49 BL main

　　

　　我们看到IAR提供了__low_level_init这个函数进行了“底层”的初始化，进一步跟踪，我们可以查到__low_level_init这个函数做了些什么，不是不是我们想象中的不可告人。

　　

　　__low_level_init:
　　08007EA8 2001 MOVS R0, #0x1
　　08007EAA 4770 BX LR

　　

　　__low_level_init出乎想象的简单，只是往R0寄存器写入了1，就立即执行"BX LR"回到调用处了，接下来，__iar_program_start检查了R0是否为0，为0，则执行__iar_init$$done，若不是0，就执行__iar_data_init2。__iar_init$$done这个函数很简单，只有2句话，第一句是把R0清零，第二句就直接"BL main"，跳转到main()函数了。不过既然__low_level_init已经往R0写入了1，那么我们还是得走下远路——看看__iar_data_init2做了些什么，虽然距离main只有一步之遥，不过这中间隐藏了编译器的思想，我们得耐心看下去。

　　

　　__iar_data_init2:
　　08007D54 B510 PUSH R4,LR
　　08007D56 4804 LDR R0, [PC, #0x10]
　　08007D58 4C04 LDR R4, [PC, #0x10]
　　08007D5A E002 B 0x8007D62
　　08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
　　08007D60 4788 BLX R1
　　08007D62 42A0 CMP R0, R4
　　08007D64 D1FA BNE 0x8007D5C
　　08007D66 BD10 POP R4,PC
　　08007D68 7C78

　　08007D6A 0800

　　08007D6C 7C9C

　　08007D6E 0800

　　

　　看来IAR迟迟不执行main()函数，就是为了执行__iar_data_init2，我们来分析分析IAR都干了些什么坏事~

　　

　　首先压R4，LR入栈，然后加载0x0800'7C78至R0，0x0800'7C9C至R4，马上跳转到0x0800'7D62执行R0，R4的比较，结果若是相等，则弹出R4，PC，然后立即进入main()。不过IAR请君入瓮是自不会那么快放我们出来的——结果不相等，跳转到0x0800'7D5C执行，在这里，把R0指向的地址——0x0800'7C78中的值——0x0800'7D71加载到R1，并且R0中的值自加4，更新为0x0800'7C7C，并跳转到R1指向的地址处执行，这里是另一个IAR函数：__iar_zero_init2：

　　

　　__iar_zero_init2:
　　08007D70 2300 MOVS R3, #0x0
　　08007D72 E005 B 0x8007D80
　　08007D74 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
　　08007D78 F8413B04 STR R3, [R1], #0x4
　　08007D7C 1F12 SUBS R2, R2, #0x4
　　08007D7E D1FB BNE 0x8007D78
　　08007D80 F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
　　08007D84 2A00 CMP R2, #0x0
　　08007D86 D1F5 BNE 0x8007D74
　　08007D88 4770 BX LR
　　08007D8A 0000 MOVS R0, R0

　　

　　__iar_data_init2还没执行完毕，就跳转到了这个__iar_zero_inti2，且看我们慢慢分析这个帮凶——__iar_zero_inti2做了什么。

　　__iar_zero_inti2将R3寄存器清零，立即跳转到0x0800'7D80执行'LDR R2, [R0], #0x4'，这句指令与刚才在__iar_data_init2见到的'LDR R1, [R0], #0x4'很类似，都为“后索引”。这回，将R0指向的地址——0x0800'7C7C中的值——0x0000'02F4加载到R2寄存器，然后R0中的值自加4，更新为0x0800'7C80。接下来的指令检查了R2是否为0，显然这个函数没那么简单想放我我们，R2的值为2F4，我们又被带到了0x0800'7D74处，随后4条指令做了如下的事情：

　　1、将R0指向的地址——0x0800'7C80中的值——0x2000'27D4加载到R1寄存器，然后R0中的值自加4，更新为0x0800'7C84。

　　2、将R1指向的地址——0x2000'27D4中的值——改写为R3寄存器的值——0，然后R1中的值自加4，更新为0x2000'27D8。

　　3、R2自减4

　　4、检查R2是否为0，不为0，跳转到第二条执行。不为，则执行下一条。

　　

　　这简直就是一个循环！——C语言的循环for(r2=0x2F4;r2-=4;r!=0)...，我们看看循环中做了什么。

　　

　　第一条指令把一个地址加载到了R1——0x2000'27D4 是一个RAM地址，以这个为起点，在循环中，对长度为2F4的RAM空间进行了清零的操作。那为什么IAR要做这个事情呢？消除什么记录么？用Jlink查看这片内存区域，可以发现这片区域是我们定义的全局变量的所在地。也就是说，IAR在每次系统复位后，都会自动将我们定义的全局变量清零0。

　　

　　清零完毕后，接下来的指令"LDR R2, [R0], #0x4"将R0指向的地址——0x0800'7C84中的值——0加载到R2寄存器，然后R0中的值自加4，更新为0x0800'7C88。随后检查R2是否为0，这里R2为0，执行'BX LR'返回到__iar_data_init2函数，若是不为0，我们可以发现又会跳转至“4指令”处进行一个循环清零的操作。

　　

　　读到这里，我们应该可以猜到IAR的意图了：__iar_data_init2一开始加载了0x0800'7C78至R0，0x0800'7C9C至R4，[R0,R4]就是一段启动代码区，在这个区域内保存了要“处理”的所有地址与信息——执行的函数地址或者参数，实际上，这片区域也有一个名字，叫做：Region$$Table$$。在这个区域内，程序以R0为索引，R4为上限，当R0=R4，__iar_data_init2执行完毕，跳转至main()函数。

　　

　　好了，保持我们这个猜想，继续跟踪我们的PC指针——我们回到了__iar_data_init2函数中，第一件事就是比较R0，R4的值，可惜的是，仍然不相等，我们又被带到了0x0800'7D5C，至此，我们应该能看出这是一个__iar_data_init2的“主循环”，这也验证了我们对IAR意图的猜想~

　　__iar_data_init2中的“主循环”:

　　08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
　　08007D60 4788 BLX R1
　　08007D62 42A0 CMP R0, R4

　　

　　我们可以等价写为:for(r0=0x0800'7C78,r4=0x0800'7C9C;r0!=r4;r0+=4)...

　　此时，我们的R0为0x0800'7C88，经过“指令1”，R0变为0x0800'7C8C，R1为0x0800'7C55。我们来看看，7C55处，IAR又要执行何种操作。

　　

　　__iar_copy_init2:
　　08007C54 B418 PUSH R3,R4
　　08007C56 E009 B 0x8007C6C
　　08007C58 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
　　08007C5C F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
　　08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
　　08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
　　08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
　　08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
　　08007C6C F8503B04 LDR R3, [R0], #0x4
　　08007C70 2B00 CMP R3, #0x0
　　08007C72 D1F1 BNE 0x8007C58
　　08007C74 BC12 POP R1,R4
　　08007C76 4770 BX LR
　　这是一个名为__iar_copy_init2的函数，他执行了什么"copy"操作呢？

　　首先压R3,R4入栈，然后跳转到0x0800'7C6C，从R0——Region$$Table$$Base中取出参数0x238放入R3，接下来的指令大家应该都熟悉了，0x238不为0，所以我们被带至7C58处，再次从Region$$Table$$Base中取出参数0x0800'7F14放入R1，从Region$$Table$$Base取出参数0x2000'2AC8放入R2处。细心的观众应该能察觉这和__iar_zero_init2中取参数的几乎一样：先取出大小，随后取出了地址——只不过这里多出了1个地址，没错这就是"copy"，随后的指令

　　08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
　　08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
　　08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
　　08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
　　则是另一个“4指令”，指令1将R1指向地址的数据读到R4，指令2将R2指向地址的数据改写为R4的数据，指令3、4是完成一个循环。

　　说到这里大家都应该明白了——这就是一个"copy"的操作，从Flash地址0x0800'7F14起，将长度0x238的数据拷贝到RAM地址0x2000'2AC8中。

　　通过Jlink，我们可以看到这片区域是我们定义的并且已初始化的全局变量。也就是说，每次复位后，IAR在此处进行全局变量的初始化。
　　在这“4指令”执行完毕后，再次从Region$$Table$$Base中取出参数，为0，比较之后条件符合，函数返回__iar_data_init2。

　　此时的R0已经为0x0800'7C9C与R4相等，__iar_data_init2终于完成它的使命。
　　08007D98 2000 MOVS R0, #0x0

　　08007D9A F7FDFC49 BL main
　　将R0清零以后，IAR放弃主动权，把PC指针交给了用户程序的入口——main()。

　　但请注意，这里使用的是BL指令进行main跳转，也就是说，main函数只是IAR手中的一个子程序，若是main函数执行到了结尾，接下来则会执行exit等IAR提供的“退出”函数。这些函数，等待下回分解~
　　总之，IAR在启动main()函数以前，执行了Reset_Handler，调用SystemInit()(ST库提供)进行时钟，Flash读取初始化，并转入__iar_program_start中执行__low_level_init与__iar_data_init2，并在__iar_data_init2中，先后调用__iar_zero_init2与__iar_copy_init2对全局变量、全局已初始化变量进行相应的初始化操作。最后，调用main()函数执行。

　　

　　这就是IAR在启动main()函数之前做的事情，它并没有那么神秘，只要花些时间，就可以跟跟踪分析出这个过程。
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SpringBoot项目中SpringApplication都做了什么

对springboot的自动装载注解有了一定了解后，我们还需要大致的知道，springapplication都做了什么呢？简单描述：1、实例化构造  2、执行run方法配置加载主类，大致概况如下几个方面，当然细化还有很多细节，我主要按我自己的理解描述出几个关键点: