解析 STM32 的启动过程

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 楼主 | 2017-12-15 14:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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”。
 楼主 | 2017-12-15 14:20 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2017-12-15 14:21 | 显示全部楼层
话题转到STM32微控制器,无论是keil
uvision4还是IAR EWARM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)。
 楼主 | 2017-12-15 14:21 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2017-12-15 14:22 | 显示全部楼层
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_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
 楼主 | 2017-12-15 14:22 | 显示全部楼层
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:
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
? 第2行:定义栈空间大小为0x00000400个字节,即1Kbyte。此语行亦等价于:
#define Stack_Size 0x00000400
? 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。
 楼主 | 2017-12-15 14:22 | 显示全部楼层
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)。
 楼主 | 2017-12-15 14:23 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2017-12-15 14:23 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2017-12-15 14:23 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2017-12-15 14:24 | 显示全部楼层
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,继而执行复位中断服务程序,然后跳转__main函数,最后进入mian函数,来到C的世界。
| 2017-12-18 07:56 | 显示全部楼层
这个好像是旧版的,新版的HAL库的启动过程,好像就没有介绍。
| 2017-12-22 07:30 | 显示全部楼层
用户基本不用考虑这个过程,基本用不到的,只需要记得替换默认的中断函数就好了。
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