单片机程序main函数执行完毕后会发生什么？C51/Keil编译器行为解析

在进行基本的C51编程实验时，编写了一个简单的程序如下：

#include <REGX51.H>
void test(num) {
    switch(num) {
        case 1: 
            P2_0=0; 
            P2_1=0; 
            break;
    }
}
void main(void) {
    test(1);
}

程序执行完之后，可以看到实验板上有两个LED被点亮，但另外六个LED居然微微发亮。

如果在主程序中，增加一个无限循环：while(1);，则电路板上的就不再会出现“微微点亮”的现象了。

如上图，实验板上后面六个LED就不再点亮了。上面两种情况的区别，在于第二个程序中主函数main()始终没有退出，而第一个程序，main()函数退出了。这个现象提示我们，LED微微点亮应该与主函数退出之后，单片机的状态有关。

那么核心问题就是：对于普通的嵌入式系统，C语言编程中main()函数退出之后，程序去哪儿了？

程序去哪儿了？

上面实验使用的是C51的编译器，在一块C51开发板上进行。程序没有按照嵌入式开发的惯例——在主函数void main(void)中利用循环将程序控制住，因此出现了令人迷惑的结果。

1. 开天辟地：程序的启动

对于C语言编程来说，所有的用户程序世界都是从主函数 main() 开始的。给用户程序“开天辟地”的准备工作，是由一小段启动代码STARTUP.A51完成的。

下面截取了 STARTUP.A51 代码的一段，可以看到在单片机 RESET 之后，它做了一系列初始化工作（如初始化全局变量、堆栈指针等），之后便直接跳转至：?C_START。

...
LJMP    ?C_START
...

实际上，?C_START 就对应着跳转到用户的 main() 函数。这个过程在相关博文中通过调试得到了验证：程序通过LJMP指令进入main()函数。

由于进入main()函数采用的是长跳转指令，因此通常情况下，main()函数是不会返回到启动程序STARTUP.A51的。那么，当main()函数执行完毕，程序到底去哪了呢？

2. 世界尽头：main()的终结

在博文单片机C语言while(1)的问题中，作者分别对Keil编译器和PIC的MAPLAB编译器在main函数结束后的行为进行了反汇编分析。

3. Keil编译器的处理

在Keil编译器生成的代码中，main函数的最后，被增加了以下几行汇编代码：

MOV     R0, #0x7F
CLR     A
MOV     @R0, A
DJNZ    R0, (3)
MOV     SP, #0x0C
LJMP    main

这几条语句的作用是：

• 前4条：将单片机内部RAM的前128个地址单元清零。
• 第5条：重新初始化堆栈指针。
• 第6条：使用长跳转指令，重新跳转到main函数的第一条指令开始执行。

这意味着，对于Keil编译器，当main()函数退出后，它会先清理内存，然后让程序从头开始再次执行，相当于一个软复位循环。

4. MAPLAB编译器的处理

在对PIC单片机的程序进行跟踪时，发现main()函数的最后一条语句是reset，也就是直接让单片机复位。这是MAPLAB编译器针对PIC单片机特点所添加的语句。

总结 如果单片机程序从main函数中退出，具体执行什么操作是由所使用的C语言编译器决定的。对于没有运行RTOS的嵌入式系统，程序开发中的主函数（main()）通常需要通过while(1)等机制使其持续运行，它不应该有终点。了解编译器在背后的行为，有助于我们理解嵌入式系统更深层的运行机制，并规避一些意想不到的硬件状态问题。

参考资料

[1] 51单片机程序执行流程（STARTUP.A51管理Main函数的执行） [2] 51单片机程序执行流程（STARTUP.A51）