STM32啟動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)文件分析
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1、說(shuō)明
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201611/318418.htm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?，不可以不知道。通過(guò)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(xiě)出高質(zhì)量的代碼最準(zhǔn)備。
本文以一個(gè)實(shí)際測(cè)試代碼--START_TEST為例進(jìn)行闡述。
2、整體過(guò)程概括
STM整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程是指從上電開(kāi)始，一直到運(yùn)行到main函數(shù)之間的這段過(guò)程，步驟為（以使用微庫(kù)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)
3、整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程涉及的代碼
啟動(dòng)過(guò)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(kù)文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（從生成的map文件可以看出來(lái)）。
二、程序在Flash上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
在真正講解啟動(dòng)過(guò)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(guò)閱讀hex文件和在MDK下調(diào)試綜合提煉出來(lái)的。
MSP初始值 編譯器生成，主堆棧的初始值
異常向量表 不多說(shuō)
外部中斷向量表 不多說(shuō)
代碼段 存放代碼
初始化數(shù)據(jù)段 .data
未初始化數(shù)據(jù)段 .bss
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。
0x0800 033c 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
0x2 0 加載到SRAM上的目的地址
0x0 c 數(shù)據(jù)段的總大小
0x0800 02f4 調(diào)用函數(shù)_scatterload_copy
需要說(shuō)明的是初始化棧的函數(shù)--0x0800 0304與加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)不一樣，為_(kāi)scatterload_zeroinit，它的目的就是將棧空間清零。
三、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)
四、詳細(xì)過(guò)程分析
有了以上的基礎(chǔ)，現(xiàn)在詳細(xì)分析啟動(dòng)過(guò)程。
1、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(guò)J-Flash打開(kāi)hex文件）
硬件這時(shí)自動(dòng)從0x0800 0位置處讀取數(shù)據(jù)賦給棧指針SP，然后自動(dòng)從0x0800 4位置處讀取數(shù)據(jù)賦給PC，完成復(fù)位，結(jié)果為：
SP = 0x0800 0810
PC = 0x0800 0145
2、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘
上一步中令PC=0x0800 0145的地址沒(méi)有對(duì)齊，硬件自動(dòng)對(duì)齊到0x0800 0144，執(zhí)行SystemInit函數(shù)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘。
3、軟件設(shè)置SP
LDR R0,=__main BX R0
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=0x2 0810。
4、加載.data、.bss，并初始化棧區(qū)
BL.W __scatterload_rt2
進(jìn)入__scatterload_rt2代碼段。
__scatterload_rt2:0x08168 4C06 LDR r4,[pc,#24] ; @0x081840x0816A 4D07 LDR r5,[pc,#28] ; @0x081880x0816C E006 B 0x0817C0x0816E 68E0 LDR r0,[r4,#0x0C]0x08170 F0400301 ORR r3,r0,#0x010x08174 E8947 LDM r4,{r0-r2}0x08178 4798 BLX r30x0817A 3410 ADDS r4,r4,#0x100x0817C 42AC CMP r4,r50x0817E D3F6 BCC 0x0816E0x08180 F7FFFFDA BL.W _main_init (0x08138)這段代碼是個(gè)循環(huán)（BCC 0x0816e），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：
0x0816E 68E0 LDR r0,[r4,#0x0C]0x08170 F0400301 ORR r3,r0,#0x010x08174 0x08178 4798 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)?ldquo;加載數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)”環(huán)節(jié)已經(jīng)闡述過(guò)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：
__scatterload_copy:0x082F4 E002 B 0x082FC0x082F6 C808 LDM r0!,{r3}0x082F8 1F12 SUBS r2,r2,#40x082FA C108 STM r1!,{r3}0x082FC 2A00 CMP r2,#0x000x082FE D1FA BNE 0x082F60x08300 4770 BX lr__scatterload_null:0x08302 4770 BX lr__scatterload_zeroinit:0x08304 2 MOVS r0,#0x000x08306 E001 B 0x0830C0x08308 C101 STM r1!,{r0}0x0830A 1F12 SUBS r2,r2,#40x0830C 2A00 CMP r2,#0x000x0830E D1FB BNE 0x083080x08310 4770 BX lr5、跳轉(zhuǎn)到C文件的main函數(shù)
_main_init:0x08138 4800 LDR r0,[pc,#0] ; @0x0813C0x0813A 4700 BX r0
五、異常向量與中斷向量表
; Vector Table Mapped to Address 0 at ResetAREA RESET, DATA, READONLYEXPORT __VectorsEXPORT __Vectors_EndEXPORT __Vectors_Size__Vectors DCD __initial_sp ; Top of StackDCD Reset_Handler ; Reset HandlerDCD NMI_Handler ; NMI HandlerDCD HardFault_Handler ; Hard Fault HandlerDCD MemManage_Handler ; MPU Fault HandlerDCD BusFault_Handler ; Bus Fault HandlerDCD UsageFault_Handler ; Usage Fault HandlerDCD 0 ; ReservedDCD 0 ; ReservedDCD 0 ; ReservedDCD 0 ; ReservedDCD SVC_Handler ; SVCall HandlerDCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor HandlerDCD 0 ; ReservedDCD PendSV_Handler ; PendSV HandlerDCD SysTick_Handler ; SysTick Handler; External InterruptsDCD WWDG_IRQHandler ; Window WatchdogDCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detectDCD TAMPER_IRQHandler ; TamperDCD RTC_IRQHandler ; RTCDCD FLASH_IRQHandler ; FlashDCD RCC_IRQHandler ; RCCDCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TXDCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCEDCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 BreakDCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 UpdateDCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and CommutationDCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture CompareDCD TIM2_IRQHandler ; TIM2DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 EventDCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 ErrorDCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 EventDCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 ErrorDCD SPI1_IRQHandler ; SPI1DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2DCD USART1_IRQHandler ; USART1DCD USART2_IRQHandler ; USART2DCD USART3_IRQHandler ; USART3DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10DCD RTCAlarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI LineDCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspendDCD TIM8_BRK_IRQHandler ; TIM8 BreakDCD TIM8_UP_IRQHandler ; TIM8 UpdateDCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ; TIM8 Trigger and CommutationDCD TIM8_CC_IRQHandler ; TIM8 Capture CompareDCD ADC3_IRQHandler ; ADC3DCD FSMC_IRQHandler ; FSMCDCD SDIO_IRQHandler ; SDIODCD TIM5_IRQHandler ; TIM5DCD SPI3_IRQHandler ; SPI3DCD UART4_IRQHandler ; UART4DCD UART5_IRQHandler ; UART5DCD TIM6_IRQHandler ; TIM6DCD TIM7_IRQHandler ; TIM7DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5__Vectors_End
這段代碼就是定義異常向量表，在之前有一個(gè)“J-Flash打開(kāi)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。
startup_stm32f10x_hd.s內(nèi)容：NMI_Handler PROCEXPORT NMI_Handler [WEAK]B .ENDPstm32f10x_it.c中內(nèi)容：void NMI_Handler(void){}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。
六、使用微庫(kù)與不使用微庫(kù)的區(qū)別
使用微庫(kù)就意味著我們不想使用MDK提供的庫(kù)函數(shù)，而想用自己定義的庫(kù)函數(shù)，比如說(shuō)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(shuō)明。
1、不使用微庫(kù)而使用系統(tǒng)庫(kù)
在連接程序時(shí)，肯定會(huì)把系統(tǒng)中包含printf函數(shù)的庫(kù)拿來(lái)調(diào)用參與連接，即代碼段有系統(tǒng)庫(kù)的參與。
在啟動(dòng)過(guò)程中，不使用微庫(kù)而使用系統(tǒng)庫(kù)在初始化棧的時(shí)候，還需要初始化堆（猜測(cè)系統(tǒng)庫(kù)需要用到堆），而使用微庫(kù)則是不需要的。
IF :DEF:__MICROLIBEXPORT __initial_spEXPORT __heap_baseEXPORT __heap_limitELSEIMPORT __use_two_region_memoryEXPORT __user_initial_stackheap__user_initial_stackheapLDR R0, = Heap_MemLDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)LDR R3, = Stack_MemBX LRALIGNENDIF
另外，在執(zhí)行__main函數(shù)的過(guò)程中，不僅需要完成“使用微庫(kù)”情況下的所有工作，額外的工作還需要進(jìn)行庫(kù)的初始化，才能使用系統(tǒng)庫(kù)（這一部分我還沒(méi)有深入探討）。附上__main函數(shù)的內(nèi)容：
__main:0x08130 FF802 BL.W __scatterload_rt2_thumb_only (0x08138)0x08134 FF83C BL.W __rt_entry_sh (0x081B0)__scatterload_rt2_thumb_only:0x08138 A00A ADR r0,{pc}+4 ; @0x081640x0813A E8900C00 LDM r0,{r10-r11}0x0813E 4482 ADD r10,r10,r00x08140 4483 ADD r11,r11,r00x08142 F1AA0701 SUB r7,r10,#0x01__scatterload_null:0x08146 45DA CMP r10,r110x08148 D101 BNE 0x0814E0x0814A FF831 BL.W __rt_entry_sh (0x081B0)0x0814E F2AF0E09 ADR.W lr,{pc}-0x07 ; @0x081470x08152 E8BAF LDM r10!,{r0-r3}0x08156 F0130F01 TST r3,#0x010x0815A BF18 IT NE0x0815C 1AFB SUBNE r3,r7,r30x0815E F0430301 ORR r3,r3,#0x010x08162 4718 BX r30x08164 0298 LSLS r0,r3,#100x08166 0 MOVS r0,r00x08168 02B8 LSLS r0,r7,#100x0816A 0 MOVS r0,r0__scatterload_copy:0x0816C 3A10 SUBS r2,r2,#0x100x0816E BF24 ITT CS0x08170 C878 LDMCS r0!,{r3-r6}0x08172 C178 STMCS r1!,{r3-r6}0x08174 D8FA BHI __scatterload_copy (0x0816C)0x08176 0752 LSLS r2,r2,#290x08178 BF24 ITT CS0x0817A C830 LDMCS r0!,{r4-r5}0x0817C C130 STMCS r1!,{r4-r5}0x0817E BF44 ITT MI0x08180 6804 LDRMI r4,[r0,#0x00]0x08182 600C STRMI r4,[r1,#0x00]0x08184 4770 BX lr0x08186 0 MOVS r0,r0__scatterload_zeroinit:0x08188 2300 MOVS r3,#0x000x0818A 2400 MOVS r4,#0x000x0818C 2500 MOVS r5,#0x000x0818E 2600 MOVS r6,#0x000x08190 3A10 SUBS r2,r2,#0x100x08192 BF28 IT CS0x08194 C178 STMCS r1!,{r3-r6}0x08196 D8FB BHI 0x081900x08198 0752 LSLS r2,r2,#290x0819A BF28 IT CS0x0819C C130 STMCS r1!,{r4-r5}0x0819E BF48 IT MI0x081A0 600B STRMI r3,[r1,#0x00]0x081A2 4770 BX lr__rt_lib_init:0x081A4 B51F PUSH {r0-r4,lr}0x081A6 F3AF8 NOP.W __rt_lib_init_user_alloc_1:0x081AA BD1F POP {r0-r4,pc}__rt_lib_shutdown:0x081AC B510 PUSH {r4,lr}__rt_lib_shutdown_user_alloc_1:0x081AE BD10 POP {r4,pc}__rt_entry_sh:0x081B0 FF82F BL.W __user_setup_stackheap (0x08212)0x081B4 4611 MOV r1,r2__rt_entry_postsh_1:0x081B6 F7FFFFF5 BL.W __rt_lib_init (0x081A4)__rt_entry_postli_1:0x081BA FF919 BL.W main (0x083F0)2、使用微庫(kù)而不使用系統(tǒng)庫(kù)
在程序連接時(shí)，不會(huì)把包含printf函數(shù)的庫(kù)連接到終極目標(biāo)文件中，而使用我們定義的庫(kù)。
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(kù)，啟動(dòng)過(guò)程步驟更少。
評(píng)論