baremetal-startup

ベアメタルの起動

目的

リセットから main() までのベアメタル起動をエージェントに案内します。リセットベクターと例外ベクター、.data／.bss の初期化、スタックとヒープの設定、リンカースクリプトを使った C ランタイムの統合、Cortex-M と RISC-V でよくある起動時の不具合を扱います。

使用するタイミング

• main() に到達する前にファームウェアがハングする
• ベンダーの HAL を使わずに新しい MCU へ移植する
• 独自の startup.s や Reset_Handler を作成する
• skills/embedded/linker-scripts と統合する
• 起動時の未初期化グローバル変数やスタックオーバーフローをデバッグする

ワークフロー

1. 起動シーケンスの基本モデル

Power-on / reset
├── CPU loads SP from vector[0]
├── CPU branches to Reset_Handler from vector[1]
├── Reset_Handler: init clocks (optional), copy .data, zero .bss
├── Configure stack pointer (if not already from vector)
├── Call SystemInit() / platform_init()
└── Call main() — must not return (loop or WFI)

2. Cortex-M のベクターテーブル

Cortex-M では、ベクターテーブルはアドレス 0 または再配置可能なベースアドレス（VTOR）から始まります。

インデックス	エントリー
0	初期スタックポインター（_estack）
1	Reset_Handler
2	NMI_Handler
3	HardFault_Handler
4 以降	NVIC に対応する IRQ ハンドラー

/* startup.s — minimal Cortex-M */
.syntax unified
.thumb

.section .isr_vector,"a",%progbits
.global g_pfnVectors
g_pfnVectors:
    .word _estack
    .word Reset_Handler
    .word NMI_Handler
    .word HardFault_Handler
    /* ... device IRQ vectors from vendor CMSIS ... */

.section .text.Reset_Handler
.thumb_func
.global Reset_Handler
Reset_Handler:
    ldr r0, =_sidata    /* .data load address (LMA) */
    ldr r1, =_sdata     /* .data VMA start */
    ldr r2, =_edata
    b LoopCopyDataInit
CopyDataInit:
    ldr r3, [r0], #4
    str r3, [r1], #4
LoopCopyDataInit:
    cmp r1, r2
    blt CopyDataInit
    ldr r2, =_sbss
    ldr r4, =_ebss
    movs r3, #0
    b LoopFillZerobss
FillZerobss:
    str r3, [r2], #4
LoopFillZerobss:
    cmp r2, r4
    blt FillZerobss
    bl SystemInit
    bl main
    b .

/* Linker symbols — declared extern in startup */
extern uint32_t _estack, _sidata, _sdata, _edata, _sbss, _ebss;

3. VTOR の再配置（Cortex-M）

#include "core_cm4.h"  /* CMSIS */

void relocate_vector_table(uint32_t base) {
    SCB->VTOR = base & 0xFFFFFF80U;  /* must be aligned per ARM ref manual */
    __DSB();
    __ISB();
}

ブートローダーからアプリにジャンプする場合、VTOR をアプリのベクターテーブルのアドレス（例：STM32 のフラッシュでは 0x08020000）に設定する必要があることがよくあります。

4. RISC-V の起動（概要）

/* entry.S — simplified */
.section .text.entry
.global _start
_start:
    la sp, _stack_top
    la t0, _bss_start
    la t1, _bss_end
clear_bss:
    beq t0, t1, bss_done
    sw zero, 0(t0)
    addi t0, t0, 4
    j clear_bss
bss_done:
    call main
    j .

トラップベクター：M モードでは mtvec を使用します。詳しくは skills/platform/riscv-privileged を参照してください。

5. crt0 の役割

タスク	実行するもの
.data の LMA→VMA コピー	Reset_Handler ／ crt0
.bss のゼロ初期化	Reset_Handler
スタックの初期化	Vector[0] または明示的な sp
ヒープ（_sbrk）	任意。libc または独自実装
C++ コンストラクター	完全な libc を使用する場合は __libc_init_array()
FPU の有効化	Cortex-M4F／M7 では SystemInit

6. リンカースクリプトとの統合

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);
_sidata = LOADADDR(.data);

MEMORY／SECTIONS のレイアウトについては、skills/embedded/linker-scripts と相互参照してください。

7. エージェントの使用例

/baremetal-startup My STM32 never reaches main — what should Reset_Handler do?
/baremetal-startup How do I relocate the vector table after bootloader jump?

よくある問題

症状	原因	対処方法
起動直後に HardFault が発生する	スタックポインターが無効	_estack を有効な RAM の末尾に設定します
起動時にグローバル変数の値が正しくない	.data がコピーされていない	Reset_Handler で LMA→VMA にコピーします
BSS がゼロではない	.bss がゼロ初期化されていない	BSS をクリアするループを追加します
IRQ が発生しない	VTOR が誤ったテーブルを指している	SCB->VTOR = app_vector_addr を設定します
main が復帰すると不正なコードが実行される	main の後にループがない	while(1) または WFI のループを追加します
C++ の静的初期化でクラッシュする	クロック設定前にコンストラクターが呼び出される	最初に SystemInit を呼び出します

関連スキル

• skills/embedded/linker-scripts — _estack、LMA／VMA、セクション配置
• skills/baremetal/interrupts-and-exceptions-baremetal — ベクターテーブルの IRQ エントリー
• skills/baremetal/bootloaders-embedded — アプリへのジャンプ時の VTOR 再配置
• skills/embedded/openocd-jtag — GDB で Reset_Handler で停止する方法
• skills/low-level-programming/assembly-arm — Thumb-2 構文
• skills/platform/riscv-privileged — RISC-V のトラップ設定