系统启动流程

本文档描述 ARCS SDK 在 Nuclei RISC-V 核（ARCS SoC）上从芯片复位到 main() 的完整启动流程，并说明各阶段涉及的关键源文件。

整体流程概览

复位
  └─► [Stage 1] 汇编启动 (_start)            soc/arcs/startup/startup.S
        ├─ 禁用全局中断
        ├─ 初始化 GP / TP / SP
        ├─ 配置 ECLIC 中断入口（早期异常入口）
        └─► scatload()   — 将各段从 ROM 复制到 RAM

  └─► [Stage 2] C 入口 (system_entry)         system/sys_entry.c
        ├─ soc_pre_init()                      — 芯片预初始化钩子（弱符号）
        ├─ soc_init()                          — 芯片底层初始化
        ├─ sys_init_run_level(PRE_SYSTEM_INIT) — 串口等早期外设初始化
        ├─ boot_banner()                       — 打印 SDK 版本横幅
        ├─ sysheap_init()                      — 系统堆初始化
        ├─ console_init()                      — Console 初始化
        ├─ lisa_log_init()                     — 日志系统初始化
        ├─ sys_init_run_level(PRE_DEVICES_INIT)— 设备驱动早期初始化
        ├─ sys_init_run_level(PRE_KERNEL)      — RTOS 启动前初始化
        ├─ cpp_init()                          — C++ 全局构造函数
        └─► [FreeRTOS] vTaskStartScheduler()
              ├─ sys_init_run_level(POST_KERNEL)
              ├─ sys_init_run_level(PRE_APPLICATION)
              └─► main()

           [裸机]  直接调用 main()

Stage 1 — 汇编启动

源文件： soc/arcs/startup/startup.S

芯片复位后，PC 跳转到 .vtable 段第 0 项（ j _start ），进入汇编启动代码。

步骤	操作	说明
1	`csrc MSTATUS, MIE`	禁用全局中断，防止初始化期间误触发
2	初始化 GP / TP	使用 `.option norelax` 确保 `la gp, __global_pointer$` 正确
3	初始化 SP	`la sp, __StackTop` ，指向主栈顶
4	配置 NMI 共享 mtvec	设置 `MMISC_CTL.NMI_CAUSE_FFF` ，NMI 复用异常入口
5	配置 ECLIC 向量基址	mtvt = vector_base，mtvt2 = irq_entry（非向量中断入口）
6	设置早期异常入口	`mtvec = early_exc_entry` ，此阶段触发异常直接 WFI 死循环
7	开启 FPU / Vector	按 `march` 编译选项条件使能
8	使能性能计数器	清除 `MCOUNTINHIBIT` 的 CY/IR 位，使能 cycle/instret 计数
9	`call scatload`	将 LMA≠VMA 的段（代码/数据）从 ROM 复制到 RAM
10	`call system_entry`	进入 C 初始化入口，不返回

向量表结构

偏移 0： j _start （复位跳转入口）
偏移 4 ~ N：各中断处理入口（共 78 个）
偏移 80 ~ 143：Image Header，含魔数 Hr 、版本、VMA、镜像名 ARCS_APP

Stage 2 — SoC 底层初始化

源文件： soc/arcs/startup/soc.c

system_entry 首先调用 soc_init() ，完成芯片底层硬件初始化：

顺序	函数/操作	说明
1	读取 HARTID	`__RV_CSR_READ(CSR_MHARTID) & 0xff` ，存入全局变量
2	`_get_iregion_info`	读取 `MCFG_INFO` ，确定 ECLIC / SysTimer 基址
3	`irq_vectors_init`	初始化 OS 中断向量表，注册 MSIP / MTIP 默认处理函数
4	`ClockInit`	调用 `BootClock_Init()` ，更新 `SystemCoreClock` ，使能 MTIME 时钟
5	ICache / DCache	按 Kconfig `CONFIG_ICACHE_ENABLE` / `CONFIG_DCACHE_ENABLE` 配置
6	`non_cacheable_region_enable`	将 WiFi RAM 区域配置为非缓存区
7	`PMP_Init`	配置物理内存保护（ILIM/DLIM/SRAM/PSRAM/FLASH 各分区权限）
8	`Exception_Init`	将所有异常处理函数初始化为默认处理器
9	`ECLIC_Init`	设置 MTH=0，配置 NLBits
10	切换正式异常入口	`mtvec = exc_entry` ，切换到 ECLIC 模式（ `mtvec[1:0] = 0b11` ）
11	使能 BPU	设置 `MMISC_CTL.BPU` ，启用分支预测
12	设置 MSCRATCH	配置异常回溯（backtrace）使用的栈顶地址
13	PSRAM 初始化	`PSRAM_Initialize()` ，随后 DCache invalidate，加载 PSRAM 段
14	Watchdog 初始化	按 `CONFIG_WATCHDOG_ENABLE` / `CONFIG_BOOT_WITH_WATCHDOG` 配置

Stage 3 — 系统框架初始化

源文件： system/sys_entry.c

soc_init() 返回后， system_entry 按以下顺序初始化系统框架：

soc_pre_init()                         ← 弱符号，SoC 级最早钩子（当前为空实现）
soc_init()                             ← 见 Stage 2
sys_init_run_level(PRE_SYSTEM_INIT)    ← 串口/早期外设，console 之前必须完成
boot_banner()                          ← 打印 SDK 版本信息
sysheap_init()                         ← 系统堆初始化（须在其他组件之前）
console_init()                         ← Console 初始化（依赖 heap）
lisa_log_init()                        ← 日志系统初始化
printf_log_redirect_enable()           ← printf/printk 重定向到日志系统
sys_init_run_level(PRE_DEVICES_INIT)   ← 设备驱动早期注册
pre_main_hook()                        ← 弱符号，用户可覆盖的扩展点
sys_init_run_level(PRE_KERNEL)         ← RTOS 启动前组件初始化
cpp_init()                             ← C++ 全局构造函数

Stage 4 — 进入 main()

FreeRTOS 模式

xTaskCreate(main_task, ...)       ← 创建主任务
vTaskStartScheduler()             ← 启动调度器

── 调度器运行后（main_task 中）──
sys_init_run_level(POST_KERNEL)       ← RTOS 运行后的组件初始化
sys_init_run_level(PRE_APPLICATION)   ← 应用级初始化
main()                                ← 用户应用入口

裸机模式

main()         ← 直接进入用户应用
while(1) {}    ← main() 返回后死循环

sys_init 分级初始化机制

源文件： system/init/sys_init.c ， system/init/sys_init.h

SDK 提供了分级初始化机制，模块可通过宏在指定级别注册初始化函数：

级别	枚举值	触发时机
`PRE_SYSTEM_INIT`	0	`soc_init()` 之后，banner 之前。串口必须在此级别注册
`PRE_DEVICES_INIT`	1	console/log 初始化之后， `pre_main_hook` 之前
`PRE_KERNEL`	2	RTOS 调度器启动之前
`POST_KERNEL`	3	RTOS 调度器启动之后（仅 FreeRTOS 模式）
`PRE_APPLICATION`	4	`main()` 调用之前（仅 FreeRTOS 模式）

注册方式示例：

/* 在 PRE_KERNEL 阶段，子优先级 10 执行 my_driver_init */
SYS_INIT(my_driver_init, PRE_KERNEL, 10);

初始化函数通过 linker script 放入对应的 __sys_init_<level>_start/end 段， sys_init_run_level() 在对应阶段遍历执行所有已注册函数。

异常处理机制

源文件： soc/arcs/startup/system.c

阶段	处理方式
早期启动（scatload 之前）	`mtvec = early_exc_entry` ，触发异常后执行 WFI 死循环
正式运行（soc_init 完成后）	`mtvec = exc_entry` ，进入 ECLIC 非向量模式
异常分发	`core_exception_handler(mcause, sp)` → `SystemExceptionHandlers[EXCn]`
默认处理	打印 MCAUSE / MEPC / 寄存器现场，可选 coredump 或软件复位
NMI	复用 mtvec，通过 `MMISC_CTL.NMI_CAUSE_FFF` 路由到异常处理器

关键源文件索引

文件	说明
`soc/arcs/startup/startup.S`	复位入口、中断向量表、Image Header
`soc/arcs/startup/soc.c`	SoC 底层初始化（Clock/Cache/PMP/ECLIC/PSRAM）
`soc/arcs/startup/system.c`	异常框架、中断向量分发、系统复位 API
`system/sys_entry.c`	`system_entry()` ，系统框架初始化主流程
`system/init/sys_init.c`	分级初始化框架实现
`system/init/sys_init.h`	分级初始化宏定义（ `SYS_INIT` 等）