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1 概述
說明
????每一款芯片的啟動(dòng)文件都值得去研究，因?yàn)樗墒悄愕某绦蚺艿淖畛跻欢温罚豢梢圆恢馈Ｍㄟ^了解啟動(dòng)文件，我們可以體會(huì)到處理器的架構(gòu)、指令集、中斷向量安排等內(nèi)容，是非常值得玩味的。
??? STM32作為一款高端 Cortex-M3系列單片機(jī)，有必要了解它的啟動(dòng)文件。打好基礎(chǔ)，為以后優(yōu)化程序，寫出高質(zhì)量的代碼最準(zhǔn)備。
????本文以一個(gè)實(shí)際測試代碼--START_TEST為例進(jìn)行闡述。
整體過程
??? STM32整個(gè)啟動(dòng)過程是指從上電開始，一直到運(yùn)行到 main函數(shù)之間的這段過程，步驟為（以使用微庫為例）：
①上電后硬件設(shè)置SP、PC
②設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘
③軟件設(shè)置SP
④加載.data、.bss，并初始化棧區(qū)
⑤跳轉(zhuǎn)到C文件的main函數(shù)
代碼
????啟動(dòng)過程涉及的文件不僅包含 startup_stm32f10x_hd.s，還涉及到了MDK自帶的連接庫文件 entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（從生成的 map文件可以看出來）。
2 程序在Flash上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
在真正講解啟動(dòng)過程之前，先要講解程序下載到 Flash上的結(jié)構(gòu)和程序運(yùn)行時(shí)（執(zhí)行到main函數(shù)）時(shí)的SRAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序在用戶Flash上的結(jié)構(gòu)如下圖所示。下圖是通過閱讀hex文件和在MDK下調(diào)試綜合提煉出來的。
????上圖中：
MSP初始值由編譯器生成，是主堆棧的初始值。
初始化數(shù)據(jù)段是.data
未初始化數(shù)據(jù)段是.bss
????.data和.bss是在__main里進(jìn)行初始化的，對(duì)于ARM Compiler，__main主要執(zhí)行以下函數(shù)：
????其中__scatterload會(huì)對(duì).data和.bss進(jìn)行初始化。
加載數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)
????加載數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)分別有4個(gè)，這里只講解加載數(shù)據(jù)段的參數(shù)，至于初始化棧的參數(shù)類似。
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0x0800033c Flash上的數(shù)據(jù)段（初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段）起始地址 0x20000000 加載到SRAM上的目的地址 0x0000000c 數(shù)據(jù)段的總大小 0x080002f4 調(diào)用函數(shù)_scatterload_copy
?
????需要說明的是初始化棧的函數(shù)--?0x08000304與加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)不一樣，為?_scatterload_zeroinit，它的目的就是將棧空間清零。
3 數(shù)據(jù)在SRAM上的結(jié)構(gòu)
????程序運(yùn)行時(shí)（執(zhí)行到main函數(shù)）時(shí)的SRAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
4 詳細(xì)過程分析
????有了以上的基礎(chǔ)，現(xiàn)在詳細(xì)分析啟動(dòng)過程。
上電后硬件設(shè)置SP、PC
????剛上電復(fù)位后，硬件會(huì)自動(dòng)根據(jù)向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定義如下：
????調(diào)試現(xiàn)象如下：
????看看我們的向量表內(nèi)容（通過J-Flash打開hex文件）
????硬件這時(shí)自動(dòng)從0x0800 0000位置處讀取數(shù)據(jù)賦給棧指針SP，然后自動(dòng)從0x0800 0004位置處讀取數(shù)據(jù)賦給PC，完成復(fù)位，結(jié)果為：
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?
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SP = 0x02000810 PC = 0x08000145
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設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘
????上一步中令 PC=0x08000145的地址沒有對(duì)齊，硬件自動(dòng)對(duì)齊到?0x08000144，執(zhí)行 SystemInit函數(shù)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘。
軟件設(shè)置SP
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LDR R0,=__main BX R0
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????執(zhí)行上兩條之類，跳轉(zhuǎn)到?__main程序段運(yùn)行，注意不是main函數(shù)，?___main的地址是0x0800 0130。
????可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，結(jié)果SP=0x2000 0810。
加載.data、.bss，并初始化棧區(qū)
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BL.W __scatterload_rt2
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????進(jìn)入?__scatterload_rt2代碼段。
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__scatterload_rt2: 0x080001684C06 LDR r4,[pc,#24] ; @0x08000184 0x0800016A4D07 LDR r5,[pc,#28] ; @0x08000188 0x0800016C E006 B 0x0800017C 0x0800016E68E0 LDR r0,[r4,#0x0C] 0x08000170 F0400301 ORR r3,r0,#0x01 0x08000174 E8940007 LDM r4,{r0-r2} 0x080001784798 BLX r3 0x0800017A3410 ADDS r4,r4,#0x10 0x0800017C42AC CMP r4,r5 0x0800017E D3F6 BCC 0x0800016E 0x08000180 F7FFFFDA BL.W _main_init (0x08000138)
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????這段代碼是個(gè)循環(huán)?（BCC0x0800016e），實(shí)際運(yùn)行時(shí)候循環(huán)了兩次。第一次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)?（_scatterload_copy）”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行（注意加載已初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段用的是同一個(gè)函數(shù)）；第二次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“初始化棧的函數(shù)?（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行。相應(yīng)的代碼如下：
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0x0800016E68E0 LDR r0,[r4,#0x0C] 0x08000170 F0400301 ORR r3,r0,#0x01 0x08000174 0x080001784798 BLX r3
?
????當(dāng)然執(zhí)行這兩個(gè)函數(shù)的時(shí)候，還需要傳入?yún)?shù)。至于參數(shù)，我們?cè)凇凹虞d數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)”環(huán)節(jié)已經(jīng)闡述過了。當(dāng)這兩個(gè)函數(shù)都執(zhí)行完后，結(jié)果就是“數(shù)據(jù)在SRAM上的結(jié)構(gòu)”所展示的圖。最后，也把事實(shí)加載和初始化的兩個(gè)函數(shù)代碼奉上如下：
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__scatterload_copy:
0x080002F4 E002 B 0x080002FC
0x080002F6 C808 LDM r0!,{r3}
0x080002F81F12 SUBS r2,r2,#4
0x080002FA C108 STM r1!,{r3}
0x080002FC2A00 CMP r2,#0x00
0x080002FE D1FA BNE 0x080002F6
0x080003004770 BX lr
__scatterload_null:
0x080003024770 BX lr
__scatterload_zeroinit:
0x080003042000 MOVS r0,#0x00
0x08000306 E001 B 0x0800030C
0x08000308 C101 STM r1!,{r0}
0x0800030A1F12 SUBS r2,r2,#4
0x0800030C2A00 CMP r2,#0x00
0x0800030E D1FB BNE 0x08000308
0x080003104770 BX lr
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跳轉(zhuǎn)到C文件的main函數(shù)
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_main_init:
0x080001384800 LDR r0,[pc,#0] ; @0x0800013C
0x0800013A4700 BX r0
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5 異常向量與中斷向量表
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; VectorTableMapped to Address0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY
EXPORT __Vectors
EXPORT __Vectors_End
EXPORT __Vectors_Size
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler; ResetHandler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler; HardFaultHandler
DCD MemManage_Handler; MPU FaultHandler
DCD BusFault_Handler; BusFaultHandler
DCD UsageFault_Handler; UsageFaultHandler
DCD 0; Reserved
DCD 0; Reserved
DCD 0; Reserved
DCD 0; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCallHandler
DCD DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler
DCD 0; Reserved
DCD PendSV_Handler; PendSVHandler
DCD SysTick_Handler; SysTickHandler
; ExternalInterrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; WindowWatchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line4
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel1
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel2
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel3
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel4
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel5
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel6
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel7
DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2
DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB HighPriority or CAN1 TX
DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0
DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1
DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 CaptureCompare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line15..10
DCD RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend
DCD TIM8_BRK_IRQHandler ; TIM8 Break
DCD TIM8_UP_IRQHandler ; TIM8 Update
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ; TIM8 Trigger and Commutation
DCD TIM8_CC_IRQHandler ; TIM8 CaptureCompare
DCD ADC3_IRQHandler ; ADC3
DCD FSMC_IRQHandler ; FSMC
DCD SDIO_IRQHandler ; SDIO
DCD TIM5_IRQHandler ; TIM5
DCD SPI3_IRQHandler ; SPI3
DCD UART4_IRQHandler ; UART4
DCD UART5_IRQHandler ; UART5
DCD TIM6_IRQHandler ; TIM6
DCD TIM7_IRQHandler ; TIM7
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5
__Vectors_End
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????這段代碼就是定義異常向量表，在之前有一個(gè)“J-Flash打開hex文件”的圖片跟這個(gè)表格是一一對(duì)應(yīng)的。編譯器根據(jù)我們定義的函數(shù) Reset_Handler、NMI_Handler等，在連接程序階段將這個(gè)向量表填入這些函數(shù)的地址。
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startup_stm32f10x_hd.s內(nèi)容：
NMI_Handler PROC
EXPORT NMI_Handler [WEAK]
B .
ENDP
stm32f10x_it.c中內(nèi)容：
void NMI_Handler(void)
{
}
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????在啟動(dòng)匯編文件中已經(jīng)定義了函數(shù) NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允許我們?cè)僦匦露x一個(gè) NMI_Handler函數(shù)，程序在編譯的時(shí)候會(huì)將匯編文件中的弱函數(shù)“覆蓋掉”--兩個(gè)函數(shù)的代碼在連接后都存在，只是在中斷向量表中的地址填入的是我們重新定義函數(shù)的地址。
6 使用微庫與不使用微庫的區(qū)別
????使用微庫就意味著我們不想使用MDK提供的庫函數(shù)，而想用自己定義的庫函數(shù)，比如說printf函數(shù)。那么這一點(diǎn)是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？我們以printf函數(shù)為例進(jìn)行說明。
不使用微庫而使用系統(tǒng)庫
????在連接程序時(shí)，肯定會(huì)把系統(tǒng)中包含printf函數(shù)的庫拿來調(diào)用參與連接，即代碼段有系統(tǒng)庫的參與。
????在啟動(dòng)過程中，不使用微庫而使用系統(tǒng)庫在初始化棧的時(shí)候，還需要初始化堆（猜測系統(tǒng)庫需要用到堆），而使用微庫則是不需要的。
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IF :DEF:__MICROLIB
EXPORT __initial_sp
EXPORT __heap_base
EXPORT __heap_limit
ELSE
IMPORT __use_two_region_memory
EXPORT __user_initial_stackheap
__user_initial_stackheap
LDR R0, = Heap_Mem
LDR R1, =(Stack_Mem+ Stack_Size)
LDR R2, = (Heap_Mem+ Heap_Size)
LDR R3, = Stack_Mem
BX LR
ALIGN
ENDIF
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????另外，在執(zhí)行?__main函數(shù)的過程中，不僅需要完成“使用微庫”情況下的所有工作，額外的工作還需要進(jìn)行庫的初始化，才能使用系統(tǒng)庫（這一部分我還沒有深入探討）。附上?__main函數(shù)的內(nèi)容：
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__main:
0x08000130 F000F802 BL.W __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
0x08000134 F000F83C BL.W __rt_entry_sh (0x080001B0)
__scatterload_rt2_thumb_only:
0x08000138 A00A ADR r0,{pc}+4; @0x08000164
0x0800013A E8900C00 LDM r0,{r10-r11}
0x0800013E4482 ADD r10,r10,r0
0x080001404483 ADD r11,r11,r0
0x08000142 F1AA0701 SUB r7,r10,#0x01
__scatterload_null:
0x0800014645DA CMP r10,r11
0x08000148 D101 BNE 0x0800014E
0x0800014A F000F831 BL.W __rt_entry_sh (0x080001B0)
0x0800014E F2AF0E09 ADR.W lr,{pc}-0x07; @0x08000147
0x08000152 E8BA000F LDM r10!,{r0-r3}
0x08000156 F0130F01 TST r3,#0x01
0x0800015A BF18 IT NE
0x0800015C1AFB SUBNE r3,r7,r3
0x0800015E F0430301 ORR r3,r3,#0x01
0x080001624718 BX r3
0x080001640298 LSLS r0,r3,#10
0x080001660000 MOVS r0,r0
0x0800016802B8 LSLS r0,r7,#10
0x0800016A0000 MOVS r0,r0
__scatterload_copy:
0x0800016C3A10 SUBS r2,r2,#0x10
0x0800016E BF24 ITT CS
0x08000170 C878 LDMCS r0!,{r3-r6}
0x08000172 C178 STMCS r1!,{r3-r6}
0x08000174 D8FA BHI __scatterload_copy (0x0800016C)
0x080001760752 LSLS r2,r2,#29
0x08000178 BF24 ITT CS
0x0800017A C830 LDMCS r0!,{r4-r5}
0x0800017C C130 STMCS r1!,{r4-r5}
0x0800017E BF44 ITT MI
0x080001806804 LDRMI r4,[r0,#0x00]
0x08000182600C STRMI r4,[r1,#0x00]
0x080001844770 BX lr
0x080001860000 MOVS r0,r0
__scatterload_zeroinit:
0x080001882300 MOVS r3,#0x00
0x0800018A2400 MOVS r4,#0x00
0x0800018C2500 MOVS r5,#0x00
0x0800018E2600 MOVS r6,#0x00
0x080001903A10 SUBS r2,r2,#0x10
0x08000192 BF28 IT CS
0x08000194 C178 STMCS r1!,{r3-r6}
0x08000196 D8FB BHI 0x08000190
0x080001980752 LSLS r2,r2,#29
0x0800019A BF28 IT CS
0x0800019C C130 STMCS r1!,{r4-r5}
0x0800019E BF48 IT MI
0x080001A0600B STRMI r3,[r1,#0x00]
0x080001A24770 BX lr
__rt_lib_init:
0x080001A4 B51F PUSH {r0-r4,lr}
0x080001A6 F3AF8000 NOP.W
__rt_lib_init_user_alloc_1:
0x080001AA BD1F POP {r0-r4,pc}
__rt_lib_shutdown:
0x080001AC B510 PUSH {r4,lr}
__rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
0x080001AE BD10 POP {r4,pc}
__rt_entry_sh:
0x080001B0 F000F82F BL.W __user_setup_stackheap (0x08000212)
0x080001B44611 MOV r1,r2
__rt_entry_postsh_1:
0x080001B6 F7FFFFF5 BL.W __rt_lib_init (0x080001A4)
__rt_entry_postli_1:
0x080001BA F000F919 BL.W main (0x080003F0)
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使用微庫而不使用系統(tǒng)庫
????在程序連接時(shí)，不會(huì)把包含printf函數(shù)的庫連接到終極目標(biāo)文件中，而使用我們定義的庫。
????啟動(dòng)時(shí)需要完成的工作就是之前論述的步驟1、2、3、4、5，相比使用系統(tǒng)庫，啟動(dòng)過程步驟更少。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論