單片機main函數退出后發生什么——以stm32為例

STM32:main函數退出后發生什么？

我們都在說單片機要運行在無限循環里，不能退出，可退出之后會發生什么？

討論STM32啟動過程的文章數不勝數，可main函數結束之后會發生什么卻少有討論。

幾日前突然想到這個問題，便開始了探究。

如果不想看冗長的調查和實驗過程，可以直接到文章底部看結論，也有流程圖版哦。

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目錄

• STM32:main函數退出后發生什么？
  • 網上搜索
  • 文檔查閱
  • 實驗測試
    • 非半主機
    • 半主機
  • 結論

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網上搜索

可能因為大家不太關心這種情況，我沒有找到有關論述單片機main函數退出的文章。不過在ST Community、阿莫BBS、StackOverflow看到有人在問同樣的問題，下面摘錄了一些不同角度的回答：

1. C語言環境角度，三種可能性
   • 編譯器在main函數后加入隱性的無限循環
   • 編譯器在main外面添加一層無限循環
   • CPU繼續向下取址運行（也就是跑飛了）
2. 單片機設計角度，退出會引發異常、事件等
3. 實際測試，網友們得到的結果卻不太一樣
   • 有的會自動循環，像是自動復位了
   • 有的會循環同一段匯編

可以看出，答案眾說紛紜，並沒有權威性，於是就轉向了最權威的資料：Keil手冊，arm官方工具鏈文檔。

文檔查閱

為了尋找main外面的調用情況，我們要從熟悉的啟動代碼開始：

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

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

我們知道，是__main調用了用戶main函數，在手冊1.8.1 Initialization of the execution environment and execution of the application這一小節，概述了__main的作用：

1. 復制RO和RW段的內容，必要的話進行解壓縮
2. 初始化ZI段（置零）
3. 調用__rt_entry

那這個__rt_entry是十分的重要啊！

按圖索驥，__rt_entry的功能有以下幾點：

1. 調用函數初始化堆棧
2. 初始化C庫，runtime
3. 調用用戶的main
4. Calls exit() with the value returned by main()

情況不唯一，第四步的exit()可以換為另外兩個退出函數，他們三個退出函數的關系在后面會提到。

情況變得明朗起來，只要找到這個exit()調用的實現即可。我在stdlib.h中找到了exit的聲明：

extern _ARMABI_NORETURN void exit(int /*status*/);
   /*注釋有刪減，刪掉了不少次要內容，有興趣可以去看一看。
    * 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.
    */

總結下來有三個功能：1. 調用之前注冊過的atexit函數 2. 關閉C運行時 3. 向宿主環境上交控制權。

然而具體實現細節還是未知的，我們回到__rt_entry的文檔中看看：

最后一步，必須調用exit、__rt_exit、_sys_exit三個中的一個。然而仔細觀察他們三個的功能，是不是能察覺出一絲重復的意味。在功能上，exit包含__rt_exit包含_sys_exit,顯然他們三個不會是毫無關聯的。

在閱讀完所有相關文檔后，我們能得出結論：exit調用__rt_exit調用_sys_exit，后面實驗中的匯編也印證了這一點。

然而，其中的_sys_exit是不是看起來很眼熟呢？相信用過STM32的朋友都了解串口打印調試與printf函數重定向（只討論不使用microlib的情況），其中會有這樣一段函數定義：

void _sys_exit(int x) //避免半主機模式
{ 
	x = x; 
} 

如果閱讀了1.6.4 Using the libraries in a nonsemihosting environment這一節，我們就會發現_sys_exit是典型的依賴半主機模式的調用。因為啟動代碼中的函數一路調用會調用到_sys_exit上去，所以在非半主機模式下我們需要自己提供它的定義。

Semihosting，半主機模式會把標准C庫中的一些應該提供的函數使用特定的指令交給調試主機來實現。由1.8.5 Direct semihosting C library function dependencies可知這些函數包括：

_sys_exit _sys_close _sys_open _sys_write等，在半主機模式下，對這些函數直接或者間接的調用將轉化為特定的指令。在非半主機模式下，就需要手動實現被調用的函數。

半主機作為一種調試手段，聽起來非常誘人，ARM自己的Keil MDK竟然不支持。既然半主機模式影響了必然會被調用的_sys_exit，那就會影響到main函數退出之后的動向。在下一節的實測中，也確實體現出了巨大的差異。

實驗測試

芯片：STM32F407ZGT6

仿真器：DAP-Link

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

main函數內容如下：

int main(void){
	GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
     
    HAL_Init();                    	 			//初始化HAL庫    
    Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);   				//設置時鍾,168Mhz
    __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();           	//開啟GPIOF時鍾
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10; 	//PF9,10
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  	//推挽輸出
    GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          	//上拉
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;    	 	

	//開燈
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET);	
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1000);
	//關燈
    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是開發板上兩顆LED燈，能提供直觀展示。

非半主機

現象：兩顆LED不斷閃動，就像處於循環之中。

為了找出原因，自然是要開始打斷點+單步調試匯編。

此時的匯編是這樣的：

繼續向下取址的話，接下來會彈棧，也將返回到調用main的函數__rt_entry中：

這也印證了之前的推斷，在默認情況下，調用的是exit。實際運行與之前分析一致，exit調用__rt_exit調用_sys_exit。

最后調用的，我們自己定義的_sys_exit，可以看出x=x被編譯器優化成為一句空指令。

重點在於接下來，按照手冊上說，_sys_exit將會把控制權交回宿主環境，此時C運行庫已經被關閉。然而下一句匯編BX lr直接將函數返回0x08000227，也就是__rt_exit函數調用_sys_exit的下文。在上上張圖中，可以發現代碼又回到了熟悉的啟動代碼，接下來，時鍾、堆棧、C庫依次初始化，main函數被調用，形成循環。

這就是退出主函數后表現為循環的原因。

半主機

如果想進入半主機模式，我們可以將#pragma import(__use_no_semihosting) 這句宏刪除，之后把自定義的_sys_exit等函數注釋掉，再進行編譯、下載、調試。

現象：LED燈亮滅一次，無后序現象。

啟動以及退出流程與非半主機完全一樣，除了在調用_sys_exit時會變為相應的內核特定指令。ARM處理器在進入半主機模式時會調用trap instruction，對於所有的Cortex-M微處理器來說，這個指令是BKPT 0xAB。緊接着，就進入了跳轉到自己的死循環。

至此，單片機陷入空白死循環，形成了前文所說的執行一次現象。

結論

通過查閱官方文檔，以及調試實測，我們能得出結論：

在關閉半主機模式下，STM32的用戶main函數退出了，單片機將會復位，形成循環的效果。開啟半主機模式下，如果退出主程序，會在空循環卡死，表現為只會執行一遍主函數內容。補充一點，如果使用微庫(microlib)，文檔中明文禁止退出main函數。

使用流程圖表示如下：

這篇文章所討論的退出主函數，對於沒有OS的單片機來說，可以說是一種未定義行為，本身是不安全的、不被推薦的。以上的討論與實驗。雖然實用性不高，但在學習過程中仍有不少的收獲。

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這個主題原本是偶然想到的，花費了一些精力，算把這個問題弄清楚一些了。同時，在這個過程中產生了更多的疑問：將啟動代碼放置在_sys_exit之后是ARM還是ST的安排？是在哪一步實施的？文中的實驗具有普適性嗎？等等疑問還等待着解答。

技術新人，水平有限，希望各位前輩、高人不吝賜教，如有錯誤請一定指出。更多嵌入式原創文章可以來公眾號，來找我聊聊天吧：

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作者：胡小安

原文鏈接：https://www.cnblogs.com/huxiaoan/p/15821662.html