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解析 STM32 的啟動(dòng)過(guò)程

作者: 時(shí)間:2016-11-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
當(dāng)前的嵌入式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)過(guò)程里,并且C語(yǔ)言成為了絕大部分場(chǎng)合的最佳選擇。如此一來(lái)main函數(shù)似乎成為了理所當(dāng)然的起點(diǎn)——因?yàn)镃程序往往從main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行。但一個(gè)經(jīng)常會(huì)被忽略的問(wèn)題是:微控制器單片機(jī))上電后,是如何尋找到并執(zhí)行main函數(shù)的呢?很顯然微控制器無(wú)法從硬件上定位main函數(shù)的入口地址,因?yàn)槭褂肅語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言后,變量/函數(shù)的地址便由編譯器在編譯時(shí)自行分配,這樣一來(lái)main函數(shù)的入口地址在微控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)空間中不再是絕對(duì)不變的。相信讀者都可以回答這個(gè)問(wèn)題,答案也許大同小異,但肯定都有個(gè)關(guān)鍵詞,叫“啟動(dòng)文件”,用英文單詞來(lái)描述是“Bootloader”。

無(wú)論性能高下,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)繁,價(jià)格貴賤,每一種微控制器(處理器)都必須有啟動(dòng)文件,啟動(dòng)文件的作用便是負(fù)責(zé)執(zhí)行微控制器從“復(fù)位”到“開(kāi)始執(zhí)行main函數(shù)”中間這段時(shí)間(稱為啟動(dòng)過(guò)程)所必須進(jìn)行的工作。最為常見(jiàn)的51,AVR或MSP430等微控制器當(dāng)然也有對(duì)應(yīng)啟動(dòng)文件,但開(kāi)發(fā)環(huán)境往往自動(dòng)完整地提供了這個(gè)啟動(dòng)文件,不需要開(kāi)發(fā)人員再行干預(yù)啟動(dòng)過(guò)程,只需要從main函數(shù)開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)即可。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201611/316894.htm

話題轉(zhuǎn)到STM32微控制器,無(wú)論是keil
uvision4還是IAR EWARM開(kāi)發(fā)環(huán)境,ST公司都提供了現(xiàn)成的直接可用的啟動(dòng)文件,程序開(kāi)發(fā)人員可以直接引用啟動(dòng)文件后直接進(jìn)行C應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。這樣能大大減小開(kāi)發(fā)人員從其它微控制器平臺(tái)跳轉(zhuǎn)至STM32平臺(tái),也降低了適應(yīng)STM32微控制器的難度(對(duì)于上一代ARM的當(dāng)家花旦ARM9,啟動(dòng)文件往往是第一道難啃卻又無(wú)法逾越的坎)。

相對(duì)于ARM上一代的主流ARM7/ARM9內(nèi)核架構(gòu),新一代Cortex內(nèi)核架構(gòu)的啟動(dòng)方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內(nèi)核的控制器在復(fù)位后,CPU會(huì)從存儲(chǔ)空間的絕對(duì)地址0x000000取出第一條指令執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序的方式啟動(dòng),即固定了復(fù)位后的起始地址為0x000000(PC = 0x000000)同時(shí)中斷向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3內(nèi)核則正好相反,有3種情況:
1、通過(guò)boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于SRAM區(qū),即起始地址為0x2000000,同時(shí)復(fù)位后PC指針位于0x2000000處;
2、通過(guò)boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于FLASH區(qū),即起始地址為0x8000000,同時(shí)復(fù)位后PC指針位于0x8000000處;
3、通過(guò)boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于內(nèi)置Bootloader區(qū),本文不對(duì)這種情況做論述;
而Cortex-M3內(nèi)核規(guī)定,起始地址必須存放堆頂指針,而第二個(gè)地址則必須存放復(fù)位中斷入口向量地址,這樣在Cortex-M3內(nèi)核復(fù)位后,會(huì)自動(dòng)從起始地址的下一個(gè)32位空間取出復(fù)位中斷入口向量,跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。對(duì)比ARM7/ARM9內(nèi)核,Cortex-M3內(nèi)核則是固定了中斷向量表的位置而起始地址是可變化的。
有了上述準(zhǔn)備只是后,下面以STM32的2.02固件庫(kù)提供的啟動(dòng)文件“stm32f10x_vector.s”為模板,對(duì)STM32的啟動(dòng)過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)要而全面的解析。
程序清單一:
;文件“stm32f10x_vector.s”,其中注釋為行號(hào)
DATA_IN_ExtSRAM EQU 0;1
Stack_Size EQU 0x00000400;2
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3;3
Stack_Mem SPACE Stack_Size;4
__initial_sp;5
Heap_Size EQU 0x00000400;6
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3;7
__heap_base;8
Heap_Mem SPACE Heap_Size;9
__heap_limit;10
THUMB;11
PRESERVE8;12
IMPORT NMIException;13
IMPORT HardFaultException;14
IMPORT MemManageException;15
IMPORT BusFaultException;16
IMPORT UsageFaultException;17
IMPORT SVCHandler;18
IMPORT DebugMonitor;19
IMPORT PendSVC;20
IMPORT SysTickHandler;21
IMPORT WWDG_IRQHandler;22
IMPORT PVD_IRQHandler;23
IMPORT TAMPER_IRQHandler;24
IMPORT RTC_IRQHandler;25
IMPORT FLASH_IRQHandler;26
IMPORT RCC_IRQHandler;27
IMPORT EXTI0_IRQHandler;28
IMPORT EXTI1_IRQHandler;29
IMPORT EXTI2_IRQHandler;30
IMPORT EXTI3_IRQHandler;31
IMPORT EXTI4_IRQHandler;32
IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler;33
IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler;34
IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler;35
IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler;36
IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler;37
IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler;38
IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler;39
IMPORT ADC1_2_IRQHandler;40
IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler;41
IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler;42
IMPORT CAN_RX1_IRQHandler;43
IMPORT CAN_SCE_IRQHandler;44
IMPORT EXTI9_5_IRQHandler;45
IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler;46
IMPORT TIM1_UP_IRQHandler;47
IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler;48
IMPORT TIM1_CC_IRQHandler;49
IMPORT TIM2_IRQHandler;50
IMPORT TIM3_IRQHandler;51
IMPORT TIM4_IRQHandler;52
IMPORT I2C1_EV_IRQHandler;53
IMPORT I2C1_ER_IRQHandler;54
IMPORT I2C2_EV_IRQHandler;55
IMPORT I2C2_ER_IRQHandler;56
IMPORT SPI1_IRQHandler;57
IMPORT SPI2_IRQHandler;58
IMPORT USART1_IRQHandler;59
IMPORT USART2_IRQHandler;60
IMPORT USART3_IRQHandler;61
IMPORT EXTI15_10_IRQHandler;62
IMPORT RTCAlarm_IRQHandler;63
IMPORT USBWakeUp_IRQHandler;64
IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler;65
IMPORT TIM8_UP_IRQHandler;66
IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler;67
IMPORT TIM8_CC_IRQHandler;68
IMPORT ADC3_IRQHandler;69
IMPORT FSMC_IRQHandler;70
IMPORT SDIO_IRQHandler;71
IMPORT TIM5_IRQHandler;72
IMPORT SPI3_IRQHandler;73
IMPORT UART4_IRQHandler;74
IMPORT UART5_IRQHandler;75
IMPORT TIM6_IRQHandler;76
IMPORT TIM7_IRQHandler;77
IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler;78
IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler;79
IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler;80
IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler;81
AREA RESET, DATA, READONLY;82
EXPORT __Vectors;83
__Vectors;84
DCD __initial_sp;85
DCD Reset_Handler;86
DCD NMIException;87
DCD HardFaultException;88
DCD MemManageException;89
DCD BusFaultException;90
DCD UsageFaultException;91
DCD 0;92
DCD 0;93
DCD 0;94
DCD 0;95
DCD SVCHandler;96
DCD DebugMonitor;97
DCD 0;98
DCD PendSVC;99
DCD SysTickHandler;100
DCD WWDG_IRQHandler;101
DCD PVD_IRQHandler;102
DCD TAMPER_IRQHandler;103
DCD RTC_IRQHandler;104
DCD FLASH_IRQHandler;105
DCD RCC_IRQHandler;106
DCD EXTI0_IRQHandler;107
DCD EXTI1_IRQHandler;108
DCD EXTI2_IRQHandler;109
DCD EXTI3_IRQHandler;110
DCD EXTI4_IRQHandler;111
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler;112
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler;113
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler;114
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler;115
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler;116
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler;117
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler;118
DCD ADC1_2_IRQHandler;119
DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler;120
DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler;121
DCD CAN_RX1_IRQHandler;122
DCD CAN_SCE_IRQHandler;123
DCD EXTI9_5_IRQHandler;124
DCD TIM1_BRK_IRQHandler;125
DCD TIM1_UP_IRQHandler;126
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler;127
DCD TIM1_CC_IRQHandler;128
DCD TIM2_IRQHandler;129
DCD TIM3_IRQHandler;130
DCD TIM4_IRQHandler;131
DCD I2C1_EV_IRQHandler;132
DCD I2C1_ER_IRQHandler;133
DCD I2C2_EV_IRQHandler;134
DCD I2C2_ER_IRQHandler;135
DCD SPI1_IRQHandler;136
DCD SPI2_IRQHandler;137
DCD USART1_IRQHandler;138
DCD USART2_IRQHandler;139
DCD USART3_IRQHandler;140
DCD EXTI15_10_IRQHandler;141
DCD RTCAlarm_IRQHandler;142
DCD USBWakeUp_IRQHandler;143
DCD TIM8_BRK_IRQHandler;144
DCD TIM8_UP_IRQHandler;145
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler;146
DCD TIM8_CC_IRQHandler;147
DCD ADC3_IRQHandler;148
DCD FSMC_IRQHandler;149
DCD SDIO_IRQHandler;150
DCD TIM5_IRQHandler;151
DCD SPI3_IRQHandler;152
DCD UART4_IRQHandler;153
DCD UART5_IRQHandler;154
DCD TIM6_IRQHandler;155
DCD TIM7_IRQHandler;156
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler;157
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler;158
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler;159
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler;160
AREA |.text|, CODE, READONLY;161
Reset_Handler PROC;162
EXPORT Reset_Handler;163
IF DATA_IN_ExtSRAM == 1;164
LDR R0,= 0x00000114;165
LDR R1,= 0x40021014;166
STR R0,[R1];167
LDR R0,= 0x000001E0;168
LDR R1,= 0x40021018;169
STR R0,[R1];170
LDR R0,= 0x44BB44BB;171
LDR R1,= 0x40011400;172
STR R0,[R1];173
LDR R0,= 0xBBBBBBBB;174
LDR R1,= 0x40011404;175
STR R0,[R1];176
LDR R0,= 0xB44444BB;177
LDR R1,= 0x40011800;178
STR R0,[R1];179
LDR R0,= 0xBBBBBBBB;180
LDR R1,= 0x40011804;181
STR R0,[R1];182
LDR R0,= 0x44BBBBBB;183
LDR R1,= 0x40011C00;184
STR R0,[R1];185
LDR R0,= 0xBBBB4444;186
LDR R1,= 0x40011C04;187
STR R0,[R1];188
LDR R0,= 0x44BBBBBB;189
LDR R1,= 0x40012000;190
STR R0,[R1];191
LDR R0,= 0x44444B44;192
LDR R1,= 0x40012004;193
STR R0,[R1];194
LDR R0,= 0x00001011;195
LDR R1,= 0xA0000010;196
STR R0,[R1];197
LDR R0,= 0x00000200;198
LDR R1,= 0xA0000014;199
STR R0,[R1];200
ENDIF;201
IMPORT __main;202
LDR R0, =__main;203
BX R0;204
ENDP;205
ALIGN;206
IF :DEF:__MICROLIB;207
EXPORT __initial_sp;208
EXPORT __heap_base;209
EXPORT __heap_limit;210
ELSE;211
IMPORT __use_two_region_memory;212
EXPORT __user_initial_stackheap;213
__user_initial_stackheap;214
LDR R0, = Heap_Mem;215
LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size);216
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size);217
LDR R3, = Stack_Mem;218
BX LR;219
ALIGN;220
ENDIF;221
END;222
ENDIF;223
END;224
如程序清單一,STM32的啟動(dòng)代碼一共224行,使用了匯編語(yǔ)言編寫(xiě),這其中的主要原因下文將會(huì)給出交代。現(xiàn)在從第一行開(kāi)始分析:
?第1行:定義是否使用外部SRAM,為1則使用,為0則表示不使用。此語(yǔ)行若用C語(yǔ)言表達(dá)則等價(jià)于:
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
?第2行:定義??臻g大小為0x00000400個(gè)字節(jié),即1Kbyte。此語(yǔ)行亦等價(jià)于:
#define Stack_Size 0x00000400
?第3行:偽指令A(yù)REA,表示
?第4行:開(kāi)辟一段大小為Stack_Size的內(nèi)存空間作為棧。
?第5行:標(biāo)號(hào)__initial_sp,表示??臻g頂?shù)刂贰?br />?第6行:定義堆空間大小為0x00000400個(gè)字節(jié),也為1Kbyte。
?第7行:偽指令A(yù)REA,表示
?第8行:標(biāo)號(hào)__heap_base,表示堆空間起始地址。
?第9行:開(kāi)辟一段大小為Heap_Size的內(nèi)存空間作為堆。
?第10行:標(biāo)號(hào)__heap_limit,表示堆空間結(jié)束地址。
?第11行:告訴編譯器使用THUMB指令集。
?第12行:告訴編譯器以8字節(jié)對(duì)齊。
?第13—81行:IMPORT指令,指示后續(xù)符號(hào)是在外部文件定義的(類(lèi)似C語(yǔ)言中的全局變量聲明),而下文可能會(huì)使用到這些符號(hào)。
?第82行:定義只讀數(shù)據(jù)段,實(shí)際上是在CODE區(qū)(假設(shè)STM32從FLASH啟動(dòng),則此中斷向量表起始地址即為0x8000000)
?第83行:將標(biāo)號(hào)__Vectors聲明為全局標(biāo)號(hào),這樣外部文件就可以使用這個(gè)標(biāo)號(hào)。
?第84行:標(biāo)號(hào)__Vectors,表示中斷向量表入口地址。
?第85—160行:建立中斷向量表。
?第161行:
?第162行:復(fù)位中斷服務(wù)程序,PROC…ENDP結(jié)構(gòu)表示程序的開(kāi)始和結(jié)束。
?第163行:聲明復(fù)位中斷向量Reset_Handler為全局屬性,這樣外部文件就可以調(diào)用此復(fù)位中斷服務(wù)。
?第164行:IF…ENDIF為預(yù)編譯結(jié)構(gòu),判斷是否使用外部SRAM,在第1行中已定義為“不使用”。
?第165—201行:此部分代碼的作用是設(shè)置FSMC總線以支持SRAM,因不使用外部SRAM因此此部分代碼不會(huì)被編譯。
?第202行:聲明__main標(biāo)號(hào)。
?第203—204行:跳轉(zhuǎn)__main地址執(zhí)行。
?第207行:IF…ELSE…ENDIF結(jié)構(gòu),判斷是否使用DEF:__MICROLIB(此處為不使用)。
?第208—210行:若使用DEF:__MICROLIB,則將__initial_sp,__heap_base,__heap_limit亦即棧頂?shù)刂?,堆始末地址賦予全局屬性,使外部程序可以使用。
?第212行:定義全局標(biāo)號(hào)__use_two_region_memory。
?第213行:聲明全局標(biāo)號(hào)__user_initial_stackheap,這樣外程序也可調(diào)用此標(biāo)號(hào)。
?第214行:標(biāo)號(hào)__user_initial_stackheap,表示用戶堆棧初始化程序入口。
?第215—218行:分別保存棧頂指針和棧大小,堆始地址和堆大小至R0,R1,R2,R3寄存器。
?第224行:程序完畢。
以上便是STM32的啟動(dòng)代碼的完整解析,接下來(lái)對(duì)幾個(gè)小地方做解釋?zhuān)?br />1、AREA指令:偽指令,用于定義代碼段或數(shù)據(jù)段,后跟屬性標(biāo)號(hào)。其中比較重要的一個(gè)標(biāo)號(hào)為“READONLY”或者“READWRITE”,其中“READONLY”表示該段為只讀屬性,聯(lián)系到STM32的內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì),可知具有只讀屬性的段保存于FLASH區(qū),即0x8000000地址后。而“READONLY”表示該段為“可讀寫(xiě)”屬性,可知“可讀寫(xiě)”段保存于SRAM區(qū),即0x2000000地址后。由此可以從第3、7行代碼知道,堆棧段位于SRAM空間。從第82行可知,中斷向量表放置與FLASH區(qū),而這也是整片啟動(dòng)代碼中最先被放進(jìn)FLASH區(qū)的數(shù)據(jù)。因此可以得到一條重要的信息:0x8000000地址存放的是棧頂?shù)刂穇_initial_sp,0x8000004地址存放的是復(fù)位中斷向量Reset_Handler(STM32使用32位總線,因此存儲(chǔ)空間為4字節(jié)對(duì)齊)。
2、DCD指令:作用是開(kāi)辟一段空間,其意義等價(jià)于C語(yǔ)言中的地址符“&”。因此從第84行開(kāi)始建立的中斷向量表則類(lèi)似于使用C語(yǔ)言定義了一個(gè)指針數(shù)組,其每一個(gè)成員都是一個(gè)函數(shù)指針,分別指向各個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)。
3、標(biāo)號(hào):前文多處使用了“標(biāo)號(hào)”一詞。標(biāo)號(hào)主要用于表示一片內(nèi)存空間的某個(gè)位置,等價(jià)于C語(yǔ)言中的“地址”概念。地址僅僅表示存儲(chǔ)空間的一個(gè)位置,從C語(yǔ)言的角度來(lái)看,變量的地址,數(shù)組的地址或是函數(shù)的入口地址在本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別。
4、第202行中的__main標(biāo)號(hào)并不表示C程序中的main函數(shù)入口地址,因此第204行也并不是跳轉(zhuǎn)至main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行C程序。__main標(biāo)號(hào)表示C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)函數(shù)里的一個(gè)初始化子程序__main的入口地址。該程序的一個(gè)主要作用是初始化堆棧(對(duì)于程序清單一來(lái)說(shuō)則是跳轉(zhuǎn)__user_initial_stackheap標(biāo)號(hào)進(jìn)行初始化堆棧的),并初始化映像文件,最后跳轉(zhuǎn)C程序中的main函數(shù)。這就解釋了為何所有的C程序必須有一個(gè)main函數(shù)作為程序的起點(diǎn)——因?yàn)檫@是由C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)所規(guī)定的——并且不能更改,因?yàn)镃/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)并不對(duì)外界開(kāi)發(fā)源代碼。因此,實(shí)際上在用戶可見(jiàn)的前提下,程序在第204行后就跳轉(zhuǎn)至.c文件中的main函數(shù),開(kāi)始執(zhí)行C程序了。
至此可以總結(jié)一下STM32的啟動(dòng)文件和啟動(dòng)過(guò)程。首先對(duì)棧和堆的大小進(jìn)行定義,并在代碼區(qū)的起始處建立中斷向量表,其第一個(gè)表項(xiàng)是棧頂?shù)刂罚诙€(gè)表項(xiàng)是復(fù)位中斷服務(wù)入口地址。然后在復(fù)位中斷服務(wù)程序中跳轉(zhuǎn)??C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)的__main函數(shù),完成用戶堆棧等的初始化后,跳轉(zhuǎn).c文件中的main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行C程序。假設(shè)STM32被設(shè)置為從內(nèi)部FLASH啟動(dòng)(這也是最常見(jiàn)的一種情況),中斷向量表起始地位為0x8000000,則棧頂?shù)刂反娣庞?x8000000處,而復(fù)位中斷服務(wù)入口地址存放于0x8000004處。當(dāng)STM32遇到復(fù)位信號(hào)后,則從0x80000004處取出復(fù)位中斷服務(wù)入口地址,繼而執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序,然后跳轉(zhuǎn)__main函數(shù),最后進(jìn)入mian函數(shù),來(lái)到C的世界。



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