单片机main函数退出后发生什么——以stm32为例

发布于 1970年 01月 01日 08:00

STM32:main函数退出后发生什么?

我们都在说单片机要运行在无限循环里,不能退出,可退出之后会发生什么?

讨论STM32启动过程的文章数不胜数,可main函数结束之后会发生什么却少有讨论。

几日前突然想到这个问题,便开始了探究。

如果不想看冗长的调查和实验过程,可以直接到文章底部看结论,也有流程图版哦。



网上搜索

可能因为大家不太关心这种情况,我没有找到有关论述单片机main函数退出的文章。不过在ST Community、阿莫BBS、StackOverflow看到有人在问同样的问题,下面摘录了一些不同角度的回答:

  1. C语言环境角度,三种可能性
    • 编译器在main函数后加入隐性的无限循环
    • 编译器在main外面添加一层无限循环
    • CPU继续向下取址运行(也就是跑飞了)
  2. 单片机设计角度,退出会引发异常、事件等
  3. 实际测试,网友们得到的结果却不太一样
    • 有的会自动循环,像是自动复位了
    • 有的会循环同一段汇编

可以看出,答案众说纷纭,并没有权威性,于是就转向了最权威的资料:Keil手册,arm官方工具链文档。

文档查阅

为了寻找main外面的调用情况,我们要从熟悉的启动代码开始:

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

我们知道,是__main调用了用户main函数,在手册1.8.1 Initialization of the execution environment and execution of the application这一小节,概述了__main的作用:

  1. 复制RO和RW段的内容,必要的话进行解压缩
  2. 初始化ZI段(置零)
  3. 调用__rt_entry

那这个__rt_entry是十分的重要啊!

按图索骥,__rt_entry的功能有以下几点:

  1. 调用函数初始化堆栈
  2. 初始化C库,runtime
  3. 调用用户的main
  4. Calls exit() with the value returned by main()

情况不唯一,第四步的exit()可以换为另外两个退出函数,他们三个退出函数的关系在后面会提到。

情况变得明朗起来,只要找到这个exit()调用的实现即可。我在stdlib.h中找到了exit的声明:

extern _ARMABI_NORETURN void exit(int /*status*/);
   /*注释有删减,删掉了不少次要内容,有兴趣可以去看一看。
    * First, all functions registered by the atexit function are called.
    * Next, all open output streams are flushed, all open streams are closed,
    * and all files created by the tmpfile function are removed.
    * Finally, control is returned to the host environment.
    */

总结下来有三个功能:1. 调用之前注册过的atexit函数 2. 关闭C运行时 3. 向宿主环境上交控制权。

然而具体实现细节还是未知的,我们回到__rt_entry的文档中看看:

image-20220117153954541

最后一步,必须调用exit__rt_exit_sys_exit三个中的一个。然而仔细观察他们三个的功能,是不是能察觉出一丝重复的意味。在功能上,exit包含__rt_exit包含_sys_exit,显然他们三个不会是毫无关联的。

在阅读完所有相关文档后,我们能得出结论:exit调用__rt_exit调用_sys_exit,后面实验中的汇编也印证了这一点。

然而,其中的_sys_exit是不是看起来很眼熟呢?相信用过STM32的朋友都了解串口打印调试与printf函数重定向(只讨论不使用microlib的情况),其中会有这样一段函数定义:

void _sys_exit(int x) //避免半主机模式
{ 
	x = x; 
} 

如果阅读了1.6.4 Using the libraries in a nonsemihosting environment这一节,我们就会发现_sys_exit是典型的依赖半主机模式的调用。因为启动代码中的函数一路调用会调用到_sys_exit上去,所以在非半主机模式下我们需要自己提供它的定义。

Semihosting,半主机模式会把标准C库中的一些应该提供的函数使用特定的指令交给调试主机来实现。由1.8.5 Direct semihosting C library function dependencies可知这些函数包括:

_sys_exit _sys_close _sys_open _sys_write等,在半主机模式下,对这些函数直接或者间接的调用将转化为特定的指令。在非半主机模式下,就需要手动实现被调用的函数。

半主机作为一种调试手段,听起来非常诱人,ARM自己的Keil MDK竟然不支持。既然半主机模式影响了必然会被调用_sys_exit,那就会影响到main函数退出之后的动向。在下一节的实测中,也确实体现出了巨大的差异。

实验测试

芯片:STM32F407ZGT6

仿真器:DAP-Link

环境:ARMCC V5.06 update 6 ,Keil 5.25.2.0 , -O0

main函数内容如下:

int main(void){
	GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
     
    HAL_Init();                    	 			//初始化HAL库    
    Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);   				//设置时钟,168Mhz
    __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();           	//开启GPIOF时钟
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10; 	//PF9,10
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  	//推挽输出
    GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          	//上拉
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;    	 	

	//开灯
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET);	
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1000);
	//关灯
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET);		
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_SET);		
    HAL_Delay(1000);
}

PF9和PF10是开发板上两颗LED灯,能提供直观展示。

非半主机

现象:两颗LED不断闪动,就像处于循环之中。

为了找出原因,自然是要开始打断点+单步调试汇编。

Image

此时的汇编是这样的:

image-20220118233158298

继续向下取址的话,接下来会弹栈,也将返回到调用main的函数__rt_entry中:

image-20220118233421880

这也印证了之前的推断,在默认情况下,调用的是exit。实际运行与之前分析一致,exit调用__rt_exit调用_sys_exit

__rt_exit调用_sys_exit

自定义的_sys_exit

最后调用的,我们自己定义的_sys_exit,可以看出x=x被编译器优化成为一句空指令。

重点在于接下来,按照手册上说,_sys_exit将会把控制权交回宿主环境,此时C运行库已经被关闭。然而下一句汇编BX lr直接将函数返回0x08000227,也就是__rt_exit函数调用_sys_exit的下文。在上上张图中,可以发现代码又回到了熟悉的启动代码,接下来,时钟、堆栈、C库依次初始化,main函数被调用,形成循环

这就是退出主函数后表现为循环的原因。

半主机

如果想进入半主机模式,我们可以将#pragma import(__use_no_semihosting) 这句宏删除,之后把自定义的_sys_exit等函数注释掉,再进行编译、下载、调试。

现象:LED灯亮灭一次,无后序现象。

启动以及退出流程与非半主机完全一样,除了在调用_sys_exit时会变为相应的内核特定指令。ARM处理器在进入半主机模式时会调用trap instruction,对于所有的Cortex-M微处理器来说,这个指令是BKPT 0xAB。紧接着,就进入了跳转到自己的死循环。

Image

至此,单片机陷入空白死循环,形成了前文所说的执行一次现象。

结论

通过查阅官方文档,以及调试实测,我们能得出结论:

在关闭半主机模式下,STM32的用户main函数退出了,单片机将会复位,形成循环的效果。开启半主机模式下,如果退出主程序,会在空循环卡死,表现为只会执行一遍主函数内容。补充一点,如果使用微库(microlib),文档中明文禁止退出main函数。

使用流程图表示如下:

STM32启动退出流程

这篇文章所讨论的退出主函数,对于没有OS的单片机来说,可以说是一种未定义行为,本身是不安全的、不被推荐的。以上的讨论与实验。虽然实用性不高,但在学习过程中仍有不少的收获。


这个主题原本是偶然想到的,花费了一些精力,算把这个问题弄清楚一些了。同时,在这个过程中产生了更多的疑问:将启动代码放置在_sys_exit之后是ARM还是ST的安排?是在哪一步实施的?文中的实验具有普适性吗?等等疑问还等待着解答。

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作者:胡小安

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