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STM32启动过程和启动文件分析

2017-03-08 11:57 531 查看
一、概述

1、说明

  每一款芯片的启动文件都值得去研究,因为它可是你的程序跑的最初一段路,不可以不知道。通过了解启动文件,我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容,是非常值得玩味的。

  STM32作为一款高端Cortex-M3系列单片机,有必要了解它的启动文件。打好基础,为以后优化程序,写出高质量的代码最准备。

  本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。

2、整体过程概括

  STM整个启动过程是指从上电开始,一直到运行到main函数之间的这段过程,步骤为(以使用微库为例):

①上电后硬件设置SP、PC

②设置系统时钟

③软件设置SP

④加载.data、.bss,并初始化栈区

⑤跳转到C文件的main函数

3、整个启动过程涉及的代码

  启动过程涉及的文件不仅包含startup_stm32f10x_hd.s,还涉及到了MDK自带的连接库文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等(从生成的map文件可以看出来)。

二、程序在Flash上的存储结构

  在真正讲解启动过程之前,先要讲解程序下载到Flash上的结构和程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。



MSP初始值        编译器生成,主堆栈的初始值

异常向量表        不多说

外部中断向量表      不多说

代码段          存放代码

初始化数据段       .data

未初始化数据段      .bss 

加载数据段和初始化栈的参数

  加载数据段和初始化栈的参数分别有4个,这里只讲解加载数据段的参数,至于初始化栈的参数类似。

0x0800 033c  Flash上的数据段(初始化数据段和未初始化数据段)起始地址

0x2000 0000  加载到SRAM上的目的地址

0x0000 000c  数据段的总大小

0x0800 02f4  调用函数_scatterload_copy

  需要说明的是初始化栈的函数--0x0800 0304与加载数据段的函数不一样,为_scatterload_zeroinit,它的目的就是将栈空间清零。



三、数据在SRAM上的结构

  程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构



四、详细过程分析

  有了以上的基础,现在详细分析启动过程。

1、上电后硬件设置SP、PC

  刚上电复位后,硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表,向量表偏移地址的定义如下:



  调试现象如下:



  看看我们的向量表内容(通过J-Flash打开hex文件)



  硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP,然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC,完成复位,结果为:

SP = 0x0800 0810

PC = 0x0800 0145

 2、设置系统时钟



  上一步中令PC=0x0800 0145的地址没有对齐,硬件自动对齐到0x0800 0144,执行SystemInit函数初始化系统时钟。

3、软件设置SP

  LDR   R0,=__main
  BX   R0


  执行上两条之类,跳转到__main程序段运行,注意不是main函数,___main的地址是0x0800 0130。



  可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12],结果SP=0x2000 0810。

4、加载.data、.bss,并初始化栈区

BL.W     __scatterload_rt2


  进入 __scatterload_rt2代码段。

__scatterload_rt2:
0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
0x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
0x0800016C E006      B        0x0800017C
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
0x08000178 4798      BLX      r3
0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#0x10
0x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)


   这段代码是个循环(BCC 0x0800016e),实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候,读取“加载数据段的函数(_scatterload_copy)”的地址并跳转到该函数处运行(注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数);第二次运行的时候,读取“初始化栈的函数(_scatterload_zeroinit)”的地址并跳转到该函数处运行。 相应的代码如下:
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174
0x08000178 4798      BLX      r3
  
  当然执行这两个函数的时候,还需要传入参数。至于参数,我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后,结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后,也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下:


__scatterload_copy:
0x080002F4 E002      B        0x080002FC
0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
0x080002FC 2A00      CMP      r2,#0x00
0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
0x08000300 4770      BX       lr
__scatterload_null:
0x08000302 4770      BX       lr
__scatterload_zeroinit:
0x08000304 2000      MOVS     r0,#0x00
0x08000306 E001      B        0x0800030C
0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x0800030C 2A00      CMP      r2,#0x00
0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
0x08000310 4770      BX       lr


5、跳转到C文件的main函数

_main_init:
0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
0x0800013A 4700      BX       r0


五、异常向量与中断向量表 


 View
Code

   这段代码就是定义异常向量表,在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数 Reset_Handler、NMI_Handler等,在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。

startup_stm32f10x_hd.s内容:

NMI_Handler     PROC
EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
B       .
ENDP

stm32f10x_it.c中内容:
void NMI_Handler(void)
{
}


  在启动汇编文件中已经定义了函数NMI_Handler,但是使用了“弱”,它允许我们再重新定义一个NMI_Handler函数,程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在,只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。 

六、使用微库与不使用微库的区别

 


  使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数,而想用自己定义的库函数,比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢?我们以printf函数为例进行说明。

1、不使用微库而使用系统库

  在连接程序时,肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接,即代码段有系统库的参与。

  在启动过程中,不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候,还需要初始化堆(猜测系统库需要用到堆),而使用微库则是不需要的。

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


  另外,在执行__main函数的过程中,不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作,额外的工作还需要进行库的初始化,才能使用系统库(这一部分我还没有深入探讨)。附上__main函数的内容:


 View
Code

2、使用微库而不使用系统库

  在程序连接时,不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中,而使用我们定义的库。

  启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5,相比使用系统库,启动过程步骤更少。

======================代码分析=================================

;// <h> Stack Configuration  

;//   <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>  

;// </h>  

Stack_Size      EQU     0x00000200                           ;//定义堆栈大小  

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3    ;//定义一个数据段 按8字节对齐  

Stack_Mem       SPACE   Stack_Size                           ;//保留Stack_Size大小的堆栈空间  

__initial_sp                                                 ;//标号,代表堆栈顶部地址,后面有用  

  

;// <h> Heap Configuration  

;//   <o>  Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>  

;// </h>  

Heap_Size       EQU     0x00000020                            ;//定义堆空间大小  

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3      ;//定义一个数据段,8字节对齐  

__heap_base  

Heap_Mem        SPACE   Heap_Size                             ;//保留Heap_Size的堆空间  

__heap_limit                                                  ;//标号,代表堆末尾地址,后面有用  

  

                PRESERVE8                                     ;//指示编译器8字节对齐  

                THUMB                                         ;//指示编译器为THUMB指令  

  

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset  

                AREA    RESET, DATA, READONLY                  ;//定义只读数据段,其实放在CODE区,位于0地址  

                  

                EXTERN  NMIException  

                EXTERN  HardFaultException  

                EXTERN  MemManageException  

                EXTERN  BusFaultException  

                EXTERN  UsageFaultException  

                EXTERN  SVCHandler  

                EXTERN  DebugMonitor  

                EXTERN  PendSVC  

                EXTERN  SysTickHandler                         ;//声明这些符号在外部定义,同C  

                                                               ;//在××it.c中实现这些函数 ,中断就能自动调用了  

                EXPORT  __Vectors  

__Vectors       DCD     __initial_sp              ; Top of Stack         //Cotex-M  要求此处为堆栈顶部地址  

                DCD     Reset_Handler             ; Reset Handler  

                DCD     NMIException              ; NMI Handler  

                DCD     HardFaultException        ; Hard Fault Handler  

                DCD     MemManageException        ; MPU Fault Handler  

                DCD     BusFaultException         ; Bus Fault Handler  

                DCD     UsageFaultException       ; Usage Fault Handler  

                DCD     0                         ; Reserved  

                DCD     0                         ; Reserved  

                DCD     0                         ; Reserved  

                DCD     0                         ; Reserved  

                DCD     SVCHandler                ; SVCall Handler  

                DCD     DebugMonitor              ; Debug Monitor Handler  

                DCD     0                         ; Reserved  

                DCD     PendSVC                   ; PendSV Handler  

                DCD     SysTickHandler            ; SysTick Handler      //一大堆的异常处理函数地址  

                ; External Interrupts  

                EXTERN  WWDG_IRQHandler  

                EXTERN  PVD_IRQHandler  

                EXTERN  TAMPER_IRQHandler  

                EXTERN  RTC_IRQHandler  

                EXTERN  FLASH_IRQHandler  

                EXTERN  RCC_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI0_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI1_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI2_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI3_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI4_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel1_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel2_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel3_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel4_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel5_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel6_IRQHandler  

                EXTERN  DMAChannel7_IRQHandler  

                EXTERN  ADC_IRQHandler  

                EXTERN  USB_HP_CAN_TX_IRQHandler  

                EXTERN  USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler  

                EXTERN  CAN_RX1_IRQHandler  

                EXTERN  CAN_SCE_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI9_5_IRQHandler  

                EXTERN  TIM1_BRK_IRQHandler  

                EXTERN  TIM1_UP_IRQHandler  

                EXTERN  TIM1_TRG_COM_IRQHandler  

                EXTERN  TIM1_CC_IRQHandler  

                EXTERN  TIM2_IRQHandler  

                EXTERN  TIM3_IRQHandler  

                EXTERN  TIM4_IRQHandler  

                EXTERN  I2C1_EV_IRQHandler  

                EXTERN  I2C1_ER_IRQHandler  

                EXTERN  I2C2_EV_IRQHandler  

                EXTERN  I2C2_ER_IRQHandler  

                EXTERN  SPI1_IRQHandler  

                EXTERN  SPI2_IRQHandler  

                EXTERN  USART1_IRQHandler  

                EXTERN  USART2_IRQHandler  

                EXTERN  USART3_IRQHandler  

                EXTERN  EXTI15_10_IRQHandler  

                EXTERN  RTCAlarm_IRQHandler  

                EXTERN  USBWakeUp_IRQHandler                    ;//同上,  

                  

                DCD     WWDG_IRQHandler           ; Window Watchdog  

                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 Line 0  

                DCD     EXTI1_IRQHandler          ; EXTI Line 1  

                DCD     EXTI2_IRQHandler          ; EXTI Line 2  

                DCD     EXTI3_IRQHandler          ; EXTI Line 3  

                DCD     EXTI4_IRQHandler          ; EXTI Line 4  

                DCD     DMAChannel1_IRQHandler    ; DMA Channel 1  

                DCD     DMAChannel2_IRQHandler    ; DMA Channel 2  

                DCD     DMAChannel3_IRQHandler    ; DMA Channel 3  

                DCD     DMAChannel4_IRQHandler    ; DMA Channel 4  

                DCD     DMAChannel5_IRQHandler    ; DMA Channel 5  

                DCD     DMAChannel6_IRQHandler    ; DMA Channel 6  

                DCD     DMAChannel7_IRQHandler    ; DMA Channel 7  

                DCD     ADC_IRQHandler            ; ADC  

                DCD     USB_HP_CAN_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN TX  

                DCD     USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN RX0  

                DCD     CAN_RX1_IRQHandler        ; CAN RX1  

                DCD     CAN_SCE_IRQHandler        ; CAN SCE  

                DCD     EXTI9_5_IRQHandler        ; EXTI Line 9..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 Capture Compare  

                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 Line 15..10  

                DCD     RTCAlarm_IRQHandler       ; RTC Alarm through EXTI Line  

                DCD     USBWakeUp_IRQHandler      ; USB Wakeup from suspend   ;//同上  

  

                AREA    |.text|, CODE, READONLY        ;//定义代码段  

  

; Reset Handler  

Reset_Handler   PROC                                        ;//Rset_Handler的实现  

                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]    ;//在外部没有定义该符号时导出该符号,见HELP中[WEAK]  

                IMPORT  __main                              ;//导入符号,__main为 运行时库提供的函数;完成堆栈,堆的初始话  

                LDR     R0, =__main                         ;//等工作,会调用下面定义的__user_initial_stackheap;  

                BX      R0                                  ;//跳到__main,进入C的世界  

                ENDP  

  

                ALIGN  

  

; User Initial Stack & Heap  

                IF      :DEF:__MICROLIB                     ;//如果使用micro lib,micro lib 描述见armlib.chm  

                  

                EXPORT  __initial_sp  

                EXPORT  __heap_base  

                EXPORT  __heap_limit                        ;//只导出几个定义  

                  

                ELSE                                        ;//如果使用默认C运行时库  

                  

                IMPORT  __use_two_region_memory  

                EXPORT  __user_initial_stackheap  

__user_initial_stackheap                                    ;//则进行堆栈和堆的赋值,在__main函数执行过程中调用。  

                LDR     R0, =  Heap_Mem  

                LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)  

                LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)  

                LDR     R3, = Stack_Mem  

                BX      LR  

                ALIGN  

                ENDIF  

  

                END                                         ;//OK ,完了  
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