ベアメタルとファームウェア

OSがない世界のプログラムはどう動くか

PC やサーバーのプログラムは、OS がメモリ配置・スタック・入出力をお膳立てした上で main() から動き出します。ところがマイコン（MCU）上のベアメタル（bare metal）ファームウェアには、その下支えがありません。電源が入った瞬間、CPU はいきなり生のハードウェアと向き合い、自分でスタックを立て、変数領域を整え、周辺回路を初期化してから、ようやくアプリケーション本体を実行します。

この「OS が肩代わりしていた仕事を全部自前でやる」のがベアメタルの本質です。裏を返せば、リセットから main() までの一連の流れ——ベクタテーブル、スタートアップコード、リンカスクリプト——を理解すれば、組込みファームウェアの土台はほぼ見通せます。以下では ARM Cortex-M を主な題材に、リセットから実行ループまでを順に追います。CPU そのものの動作原理は /semiconductor/、その周辺のハードウェアは /hardware-components/ を前提知識とします。

リセットベクタ：CPUが最初に見る2つの値

CPU はリセット直後、あらかじめ決められた固定アドレスからプログラムを開始します。このアドレスに置かれるのがベクタテーブル（vector table）です。ベクタテーブルは「例外・割り込みが起きたとき、どのアドレスへ飛ぶか」を並べたジャンプ先の表で、その先頭に必ずリセット時の初期値が入っています。

Cortex-M では、ベクタテーブルの並びが特徴的です。多くの CPU が「テーブル先頭 = 実行開始アドレス」なのに対し、Cortex-M は先頭の2ワードを起動準備に使います。

Cortex-M ベクタテーブル（アドレス 0x0000_0000 付近, ROM/Flash 上）

  オフセット   内容
  +0x00        初期スタックポインタ (MSP) の値   ← リセット時に SP へロード
  +0x04        リセットハンドラのアドレス         ← リセット時に PC へロード
  +0x08        NMI ハンドラのアドレス
  +0x0C        HardFault ハンドラのアドレス
  +0x10        MemManage ...
   :           （以降、各例外・各周辺割り込みのハンドラアドレスが並ぶ）

リセットが解除されると、コアはハードウェア的に次の2手を踏みます。まず +0x00 の値をスタックポインタ（MSP）にロードし、次に +0x04 の値をプログラムカウンタ（PC）にロードして、そのアドレス——リセットハンドラ——の実行を始めます。つまり C 言語で最初に呼ばれるのは main() ではなく、このリセットハンドラです。

スタートアップコード：main()に至るまでの地ならし

リセットハンドラの実体がスタートアップコードです。C の実行環境（Cランタイム）を整える、ごく短いが不可欠なコードで、最低限これだけの仕事をします。

核心は最初の2つ、.data と .bss の処理です。C 言語では、int counter = 5; のようなグローバル変数は実行時に RAM 上に存在しなければなりませんが、その初期値 5 は電源を切っても消えない Flash に焼かれています。RAM は起動時に中身が不定なので、誰かが Flash 上の初期値を RAM へコピーしなければ counter は 5 になりません。この橋渡しがスタートアップコードの .data コピーです。

スタートアップコードの骨子（擬似コード）

  ResetHandler:
      # 1) .data セクションを Flash(LMA) から RAM(VMA) へコピー
      src = &_sidata          # Flash上の初期値の先頭
      dst = &_sdata           # RAM上の.data先頭
      while dst が _edata 未満:
          *dst++ = *src++

      # 2) .bss を 0 クリア
      dst = &_sbss
      while dst が _ebss 未満:
          *dst++ = 0

      # 3) （必要なら）システムクロック初期化など

      # 4) アプリ本体へ
      main()

      # 5) main が万一戻ってきたら、無限ループで安全に停止
      while(1) { }

ここに現れる _sidata / _sdata / _edata / _sbss / _ebss といったシンボルは、C コードにもスタートアップコードにも定義がありません。これらは次に述べるリンカスクリプトが供給するアドレスです。スタートアップコードは「どこからどこへコピーするか」をこれらのシンボル経由で受け取っており、コードとメモリ配置がリンカスクリプトで結び付いています。

リンカスクリプト：アドレス空間の設計図

リンカスクリプト（linker script）は、コンパイル済みの各セクション（コード・定数・変数）を物理的にどのアドレスへ置くかを指示するファイルです。ベアメタルでは OS がメモリを割り当ててくれないため、このアドレス設計を開発者が明示する必要があります。

まず MCU のメモリは大きく2種類に分かれます。不揮発の Flash（ROM） はプログラムと定数を保持し、電源を切っても消えません。揮発の RAM は実行時の変数とスタック・ヒープを置き、電源を切ると消えます。リンカスクリプトはこの2領域に各セクションを割り付けます。

典型的なメモリ割り付け（Cortex-M）

  MEMORY {
    FLASH : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K   # ROM
    RAM   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K   # RAM
  }

  配置の考え方（セクション → 置き場所）
    .isr_vector  → FLASH 先頭   ベクタテーブル。リセット時に読まれる
    .text        → FLASH        実行コード（関数群）
    .rodata      → FLASH        const 定数・文字列リテラル
    .data        → RAM に実体、初期値は FLASH に格納
    .bss         → RAM          ゼロ初期化変数。Flash上に実体は持たない
    stack / heap → RAM 末尾側    実行時に伸縮する領域

ここでVMA と LMA の区別が決定的に重要です。VMA（Virtual/実行時アドレス）は「プログラムがその変数を参照するアドレス」、LMA（Load/格納アドレス）は「そのデータが実際に焼かれているアドレス」です。.data は VMA が RAM、LMA が Flash になります——実行時は RAM 上の番地でアクセスするが、初期値の実体は Flash に置く、という二重性です。この LMA と VMA の差こそ、スタートアップコードが Flash から RAM へコピーせざるを得ない根本理由です。

スーパーループとペリフェラル初期化

main() に到達した後のアプリケーションの基本構造がスーパーループ（super loop）です。RTOS を使わないベアメタルの定番形で、「一度きりの初期化」と「延々と回り続けるメインループ」の2部構成を取ります。

ベアメタル・アプリの基本形

  int main(void) {
      // ---- 初期化フェーズ（起動時に一度だけ）----
      clock_init();          // システムクロック（PLL）設定
      gpio_init();           // 入出力ピンの向き・モード
      uart_init(115200);     // 通信ペリフェラルの設定
      timer_init();          // 周期割り込みの設定

      // ---- スーパーループ（電源が切れるまで無限に）----
      while (1) {
          read_sensors();    // 入力を読む
          update_state();    // 処理する
          drive_outputs();   // 出力へ反映
      }
  }

ループが while(1) で決して終わらない点がベアメタルの特徴です。戻る先の OS が存在しないため、main() から抜けることは想定されません（抜けた場合はスタートアップコード末尾の無限ループが受け止めます）。

ペリフェラル初期化は、周辺回路（GPIO・UART・タイマ・ADC など）をメモリマップド・レジスタへの書き込みで設定する作業です。MCU では周辺回路の制御レジスタが特定のアドレスに割り当てられており（メモリマップド I/O）、そこへ値を書くことがハードウェアの設定そのものになります。

GPIO を出力にする例（概念コード, メモリマップド I/O）

  #define GPIOA_MODER  (*(volatile uint32_t *)0x48000000)

  // ピン5を出力モード(01)に設定：該当2ビットをクリアしてから書く
  GPIOA_MODER &= ~(0x3u << (5 * 2));   // 対象ビットを 00 に
  GPIOA_MODER |=  (0x1u << (5 * 2));   // 01 = 汎用出力

多くの MCU では、周辺回路はリセット直後はクロックが供給されず眠っている点にも注意が要ります。消費電力削減のため、使うペリフェラルごとにクロックイネーブルレジスタ（RCC など）でクロックを供給してからでないと、レジスタへの書き込みすら効きません。「設定したのに動かない」の定番原因がこのクロック未供給です。電源・クロック側の詳細は /power/ も参照してください。

割り込み：ループを止めずに即応する

スーパーループだけでは、時間のかかる処理の最中に来たイベントへの応答が遅れます。そこで割り込み（interrupt）を併用します。割り込みは、特定の事象（タイマ満了・データ受信・ピン変化など）が起きた瞬間にメインループを一時中断し、対応する割り込みハンドラ（ISR）へ制御を移す仕組みです。

割り込みが発生すると、Cortex-M はハードウェアで次を行います。現在の処理を中断してレジスタを自動退避（スタッキング）し、ベクタテーブルの該当エントリからハンドラのアドレスを取得してそこへジャンプ、ハンドラ終了後は退避したレジスタを復帰してメインループの続きに戻ります。冒頭のベクタテーブルが「表」である理由がここにあり、各割り込み要因に対応するハンドラの入口が並んでいるわけです。

まとめ

• ベアメタルは OS を介さず CPU が直接ファームウェアを実行する形態で、OS が担っていたメモリ配置・スタック設定・入出力初期化をすべて自前で行う。
• リセット直後、Cortex-M はベクタテーブル先頭から初期スタックポインタと初期PCを読み、**リセットハンドラ（スタートアップコード）**へ入る。
• スタートアップコードは .data を Flash から RAM へコピーし .bss をゼロクリアして C 実行環境を整えてから main() を呼ぶ。使うアドレスはリンカスクリプトが供給する。
• リンカスクリプトは各セクションを Flash/RAM のどこへ置くかを決める設計図で、.data の LMA（Flash）と VMA（RAM）の差がコピー処理の根拠になる。
• アプリ本体はスーパーループ（初期化 → while(1)）が基本形。ペリフェラル初期化はメモリマップド・レジスタへの書き込みで行い、レジスタポインタには volatile が必須。眠っている周辺回路のクロック供給を忘れない。
• 土台となる CPU・ハードウェアは /semiconductor/ と /hardware-components/、周期処理や制御の理論は /dsp-control/ を参照。