单片机main函数退出后发生什么——以stm32为例
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：
- 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）
- 单片机设计角度，退出会引发异常、事件等
- 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：
- 复制RO和RW段的内容，必要的话进行解压缩
- 初始化ZI段（置零）
- 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：
- 调用函数初始化堆栈
- 初始化C库，runtime
- 调用用户的main
- 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：
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的_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。
此时的汇编是这样的：
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：
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。
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。
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：
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
