STM启动代码分析.docx
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STM启动代码分析.docx
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解析STM32的启动过程
当前的嵌入式应用程序开发过程里,并且C语言成为了绝大部分场合的最佳选择。
如此一来main函数似乎成为了理所当然的起点——因为C程序往往从main函数开始执行。
但一个经常会被忽略的问题是:
微控制器(单片机)上电后,是如何寻找到并执行main函数的呢?
很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址,因为使用C语言作为开发语言后,变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配,这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。
相信读者都可以回答这个问题,答案也许大同小异,但肯定都有个关键词,叫“启动文件”,用英文单词来描述是“Bootloader”。
无论性能高下,结构简繁,价格贵贱,每一种微控制器(处理器)都必须有启动文件,启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间(称为启动过程)所必须进行的工作。
最为常见的51,AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件,但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件,不需要开发人员再行干预启动过程,只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。
话题转到STM32微控制器,无论是keil
uvision4还是IAREWARM开发环境,ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件,程序开发人员可以直接引用启动文件后直接进行C应用程序的开发。
这样能大大减小开发人员从其它微控制器平台跳转至STM32平台,也降低了适应STM32微控制器的难度(对于上一代ARM的当家花旦ARM9,启动文件往往是第一道难啃却又无法逾越的坎)。
相对于ARM上一代的主流ARM7/ARM9内核架构,新一代Cortex内核架构的启动方式有了比较大的变化。
ARM7/ARM9内核的控制器在复位后,CPU会从存储空间的绝对地址0x000000取出第一条指令执行复位中断服务程序的方式启动,即固定了复位后的起始地址为0x000000(PC=0x000000)同时中断向量表的位置并不是固定的。
而Cortex-M3内核则正好相反,有3种情况:
1、通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于SRAM区,即起始地址为0x2000000,同时复位后PC指针位于0x2000000处;
2、通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于FLASH区,即起始地址为0x8000000,同时复位后PC指针位于0x8000000处;
3、通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于内置Bootloader区,本文不对这种情况做论述;
而Cortex-M3内核规定,起始地址必须存放堆顶指针,而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址,这样在Cortex-M3内核复位后,会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量,跳转执行复位中断服务程序。
对比ARM7/ARM9内核,Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。
有了上述准备只是后,下面以STM32的2.02固件库提供的启动文件“stm32f10x_vector.s”为模板,对STM32的启动过程做一个简要而全面的解析。
程序清单一:
;文件“stm32f10x_vector.s”,其中注释为行号
DATA_IN_ExtSRAMEQU0;1
Stack_SizeEQU0x00000400;2
AREASTACK,NOINIT,READWRITE,ALIGN=3;3
Stack_MemSPACEStack_Size;4
__initial_sp;5
Heap_SizeEQU0x00000400;6
AREAHEAP,NOINIT,READWRITE,ALIGN=3;7
__heap_base;8
Heap_MemSPACEHeap_Size;9
__heap_limit;10
THUMB;11
PRESERVE8;12
IMPORTNMIException;13
IMPORTHardFaultException;14
IMPORTMemManageException;15
IMPORTBusFaultException;16
IMPORTUsageFaultException;17
IMPORTSVCHandler;18
IMPORTDebugMonitor;19
IMPORTPendSVC;20
IMPORTSysTickHandler;21
IMPORTWWDG_IRQHandler;22
IMPORTPVD_IRQHandler;23
IMPORTTAMPER_IRQHandler;24
IMPORTRTC_IRQHandler;25
IMPORTFLASH_IRQHandler;26
IMPORTRCC_IRQHandler;27
IMPORTEXTI0_IRQHandler;28
IMPORTEXTI1_IRQHandler;29
IMPORTEXTI2_IRQHandler;30
IMPORTEXTI3_IRQHandler;31
IMPORTEXTI4_IRQHandler;32
IMPORTDMA1_Channel1_IRQHandler;33
IMPORTDMA1_Channel2_IRQHandler;34
IMPORTDMA1_Channel3_IRQHandler;35
IMPORTDMA1_Channel4_IRQHandler;36
IMPORTDMA1_Channel5_IRQHandler;37
IMPORTDMA1_Channel6_IRQHandler;38
IMPORTDMA1_Channel7_IRQHandler;39
IMPORTADC1_2_IRQHandler;40
IMPORTUSB_HP_CAN_TX_IRQHandler;41
IMPORTUSB_LP_CAN_RX0_IRQHandler;42
IMPORTCAN_RX1_IRQHandler;43
IMPORTCAN_SCE_IRQHandler;44
IMPORTEXTI9_5_IRQHandler;45
IMPORTTIM1_BRK_IRQHandler;46
IMPORTTIM1_UP_IRQHandler;47
IMPORTTIM1_TRG_COM_IRQHandler;48
IMPORTTIM1_CC_IRQHandler;49
IMPORTTIM2_IRQHandler;50
IMPORTTIM3_IRQHandler;51
IMPORTTIM4_IRQHandler;52
IMPORTI2C1_EV_IRQHandler;53
IMPORTI2C1_ER_IRQHandler;54
IMPORTI2C2_EV_IRQHandler;55
IMPORTI2C2_ER_IRQHandler;56
IMPORTSPI1_IRQHandler;57
IMPORTSPI2_IRQHandler;58
IMPORTUSART1_IRQHandler;59
IMPORTUSART2_IRQHandler;60
IMPORTUSART3_IRQHandler;61
IMPORTEXTI15_10_IRQHandler;62
IMPORTRTCAlarm_IRQHandler;63
IMPORTUSBWakeUp_IRQHandler;64
IMPORTTIM8_BRK_IRQHandler;65
IMPORTTIM8_UP_IRQHandler;66
IMPORTTIM8_TRG_COM_IRQHandler;67
IMPORTTIM8_CC_IRQHandler;68
IMPORTADC3_IRQHandler;69
IMPORTFSMC_IRQHandler;70
IMPORTSDIO_IRQHandler;71
IMPORTTIM5_IRQHandler;72
IMPORTSPI3_IRQHandler;73
IMPORTUART4_IRQHandler;74
IMPORTUART5_IRQHandler;75
IMPORTTIM6_IRQHandler;76
IMPORTTIM7_IRQHandler;77
IMPORTDMA2_Channel1_IRQHandler;78
IMPORTDMA2_Channel2_IRQHandler;79
IMPORTDMA2_Channel3_IRQHandler;80
IMPORTDMA2_Channel4_5_IRQHandler;81
AREARESET,DATA,READONLY;82
EXPORT__Vectors;83
__Vectors;84
DCD__initial_sp;85
DCDReset_Handler;86
DCDNMIException;87
DCDHardFaultException;88
DCDMemManageException;89
DCDBusFaultException;90
DCDUsageFaultException;91
DCD0;92
DCD0;93
DCD0;94
DCD0;95
DCDSVCHandler;96
DCDDebugMonitor;97
DCD0;98
DCDPendSVC;99
DCDSysTickHandler;100
DCDWWDG_IRQHandler;101
DCDPVD_IRQHandler;102
DCDTAMPER_IRQHandler;103
DCDRTC_IRQHandler;104
DCDFLASH_IRQHandler;105
DCDRCC_IRQHandler;106
DCDEXTI0_IRQHandler;107
DCDEXTI1_IRQHandler;108
DCDEXTI2_IRQHandler;109
DCDEXTI3_IRQHandler;110
DCDEXTI4_IRQHandler;111
DCDDMA1_Channel1_IRQHandler;112
DCDDMA1_Channel2_IRQHandler;113
DCDDMA1_Channel3_IRQHandler;114
DCDDMA1_Channel4_IRQHandler;115
DCDDMA1_Channel5_IRQHandler;116
DCDDMA1_Channel6_IRQHandler;117
DCDDMA1_Channel7_IRQHandler;118
DCDADC1_2_IRQHandler;119
DCDUSB_HP_CAN_TX_IRQHandler;120
DCDUSB_LP_CAN_RX0_IRQHandler;121
DCDCAN_RX1_IRQHandler;122
DCDCAN_SCE_IRQHandler;123
DCDEXTI9_5_IRQHandler;124
DCDTIM1_BRK_IRQHandler;125
DCDTIM1_UP_IRQHandler;126
DCDTIM1_TRG_COM_IRQHandler;127
DCDTIM1_CC_IRQHandler;128
DCDTIM2_IRQHandler;129
DCDTIM3_IRQHandler;130
DCDTIM4_IRQHandler;131
DCDI2C1_EV_IRQHandler;132
DCDI2C1_ER_IRQHandler;133
DCDI2C2_EV_IRQHandler;134
DCDI2C2_ER_IRQHandler;135
DCDSPI1_IRQHandler;136
DCDSPI2_IRQHandler;137
DCDUSART1_IRQHandler;138
DCDUSART2_IRQHandler;139
DCDUSART3_IRQHandler;140
DCDEXTI15_10_IRQHandler;141
DCDRTCAlarm_IRQHandler;142
DCDUSBWakeUp_IRQHandler;143
DCDTIM8_BRK_IRQHandler;144
DCDTIM8_UP_IRQHandler;145
DCDTIM8_TRG_COM_IRQHandler;146
DCDTIM8_CC_IRQHandler;147
DCDADC3_IRQHandler;148
DCDFSMC_IRQHandler;149
DCDSDIO_IRQHandler;150
DCDTIM5_IRQHandler;151
DCDSPI3_IRQHandler;152
DCDUART4_IRQHandler;153
DCDUART5_IRQHandler;154
DCDTIM6_IRQHandler;155
DCDTIM7_IRQHandler;156
DCDDMA2_Channel1_IRQHandler;157
DCDDMA2_Channel2_IRQHandler;158
DCDDMA2_Channel3_IRQHandler;159
DCDDMA2_Channel4_5_IRQHandler;160
AREA|.text|,CODE,READONLY;161
Reset_HandlerPROC;162
EXPORTReset_Handler;163
IFDATA_IN_ExtSRAM==1;164
LDRR0,=0x00000114;165
LDRR1,=0x40021014;166
STRR0,[R1];167
LDRR0,=0x000001E0;168
LDRR1,=0x40021018;169
STRR0,[R1];170
LDRR0,=0x44BB44BB;171
LDRR1,=0x40011400;172
STRR0,[R1];173
LDRR0,=0xBBBBBBBB;174
LDRR1,=0x40011404;175
STRR0,[R1];176
LDRR0,=0xB44444BB;177
LDRR1,=0x40011800;178
STRR0,[R1];179
LDRR0,=0xBBBBBBBB;180
LDRR1,=0x40011804;181
STRR0,[R1];182
LDRR0,=0x44BBBBBB;183
LDRR1,=0x40011C00;184
STRR0,[R1];185
LDRR0,=0xBBBB4444;186
LDRR1,=0x40011C04;187
STRR0,[R1];188
LDRR0,=0x44BBBBBB;189
LDRR1,=0x40012000;190
STRR0,[R1];191
LDRR0,=0x44444B44;192
LDRR1,=0x40012004;193
STRR0,[R1];194
LDRR0,=0x00001011;195
LDRR1,=0xA0000010;196
STRR0,[R1];197
LDRR0,=0x00000200;198
LDRR1,=0xA0000014;199
STRR0,[R1];200
ENDIF;201
IMPORT__main;202
LDRR0,=__main;203
BXR0;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
LDRR0,=Heap_Mem;215
LDRR1,=(Stack_Mem+Stack_Size);216
LDRR2,=(Heap_Mem+Heap_Size);217
LDRR3,=Stack_Mem;218
BXLR;219
ALIGN;220
ENDIF;221
END;222
ENDIF;223
END;224
如程序清单一,STM32的启动代码一共224行,使用了汇编语言编写,这其中的主要原因下文将会给出交代。
现在从第一行开始分析:
第1行:
定义是否使用外部SRAM,为1则使用,为0则表示不使用。
此语行若用C语言表达则等价于:
#defineDATA_IN_ExtSRAM0
第2行:
定义栈空间大小为0x00000400个字节,即1Kbyte。
此语行亦等价于:
#defineStack_Size0x00000400
第3行:
伪指令AREA,表示
第4行:
开辟一段大小为Stack_Size的内存空间作为栈。
第5行:
标号__initial_sp,表示栈空间顶地址。
第6行:
定义堆空间大小为0x00000400个字节,也为1Kbyte。
第7行:
伪指令AREA,表示
第8行:
标号__heap_base,表示堆空间起始地址。
第9行:
开辟一段大小为Heap_Size的内存空间作为堆。
第10行:
标号__heap_limit,表示堆空间结束地址。
第11行:
告诉编译器使用THUMB指令集。
第12行:
告诉编译器以8字节对齐。
第13—81行:
IMPORT指令,指示后续符号是在外部文件定义的(类似C语言中的全局变量声明),而下文可能会使用到这些符号。
第82行:
定义只读数据段,实际上是在CODE区(假设STM32从FLASH启动,则此中断向量表起始地址即为0x8000000)
第83行:
将标号__Vectors声明为全局标号,这样外部文件就可以使用这个标号。
第84行:
标号__Vectors,表示中断向量表入口地址。
第85—160行:
建立中断向量表。
第161行:
第162行:
复位中断服务程序,PROC…ENDP结构表示程序的开始和结束。
第163行:
声明复位中断向量Reset_Handler为全局属性,这样外部文件就可以调用此复位中断服务。
第164行:
IF…ENDIF为预编译结构,判断是否使用外部SRAM,在第1行中已定义为“不使用”。
第165—201行:
此部分代码的作用是设置FSMC总线以支持SRAM,因不使用外部SRAM因此此部分代码不会被编译。
第202行:
声明__main标号。
第203—204行:
跳转__main地址执行。
第207行:
IF…ELSE…ENDIF结构,判断是否使用DEF:
__MICROLIB(此处为不使用)。
第208—210行:
若使用DEF:
__MICROLIB,则将__initial_sp,__heap_base,__heap_limit亦即栈顶地址,堆始末地址赋予全局属性,使外部程序可以使用。
第212行:
定义全局标号__use_two_region_memory。
第213行:
声明全局标号__user_initial_stackheap,这样外程序也可调用此标号。
第214行:
标号__user_initial_stackheap,表示用户堆栈初始化程序入口。
第215—218行:
分别保存栈顶指针和栈大小,堆始地址和堆大小至R0,R1,R2,R3寄存器。
第224行:
程序完毕。
以上便是STM32的启动代码的完整解析,接下来对几个小地方做解释:
1、AREA指令:
伪指令,用于定义代码段或数据段,后跟属性标号。
其中比较重要的一个标号为“READONLY”或者“READWRITE”,其中“READONLY”表示该段为只读属性,联系到STM32的内部存储介质,可知具有只读属性的段保存于FLASH区,即0x8000000地址后。
而“READONLY”表示该段为“可读写”属性,可知“可读写”段保存于SRAM区,即0x2000000地址后。
由此可以从第3、7行代码知道,堆栈段位于SRAM空间。
从第82行可知,中断向量表放置与FLASH区,而这也是整片启动代码中最先被放进FLASH区的数据。
因此可以得到一条重要的信息:
0x8000000地址存放的是栈顶地址__initial_sp,0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset_Handler(STM32使用32位总线,因此存储空间为4字节对齐)。
2、DCD指令:
作用是开辟一段空间,其意义等价于C语言中的地址符“&”。
因此从第84行开始建立的中断向量表则类似于使用C语言定义了一个指针数组,其每一个成员都是一个函数指针,分别指向各个中断服务函数。
3、标号:
前文多处使用了“标号”一词。
标号主要用于表示一片内存空间的某个位置,等价于C语言中的“地址”概念。
地址仅仅表示存储空间的一个位置,从C语言的角度来看,变量的地址,数组的地址或是函数的入口地址在本质上并无区别。
4、第202行中的__main标号并不表示C程序中的main函数入口地址,因此第204行也并不是跳转至main函数开始执行C程序。
__main标号表示C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序__main的入口地址。
该程序的一个主要作用是初始化堆栈(对于程序清单一来说则是跳转__user_initial_stackheap标号进行初始化堆栈的),并初始化映像文件,最后跳转C程序中的main函数。
这就解释了为何所有的C程序必须有一个main函数作为程序的起点——因为这是由C/C++标准实时库所规定的——并且不能更改,因为C/C++标准实时库并不对外界开发源代码。
因此,实际上在用户可见的前提下,程序在第204行后就跳转至.c文件中的main函数,开始执行C程序了。
至此可以总结一下STM32的启动文件和启动过程。
首先对栈和堆的大小进行定义,并在代码区的起始处建立中断向量表,其第一个表项是栈顶地址,第二个表项是复位中断服务入口地址。
然后在复位中断服务程序中跳转¬¬C/C++标准实时库的__main函数,完成用户堆栈等的初始化后,跳转.c文件中的main函数开始执行C程序。
假设STM32被设置为从内部FLASH启动(这也是最常见的一种情况),中断向量表起始地位为0x8000000,则栈顶地址存放于0x8000000处,而复位中断服务入口地址存放于0x8000004处。
当STM32遇到复位信号后,则从0x80000004处取出复位中断服务入口地址,继而执行复位
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