STM32启动过程--启动文件--分析

只看该作者 · 2019-7-22 14:18

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）。

只看该作者 · 2019-7-22 14:21

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。

只看该作者 · 2019-7-22 14:21

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

只看该作者 · 2019-7-22 14:22

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 = 0x0200 0810

PC = 0x0800 0145

只看该作者 · 2019-7-22 14:23

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。

复制代码
__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)
复制代码
　　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：
复制代码
               __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
复制代码
5、跳转到C文件的main函数

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

只看该作者 · 2019-7-22 14:25

五、异常向量与中断向量表

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; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset

                AREA    RESET, DATA, READONLY

                EXPORT  __Vectors

                EXPORT  __Vectors_End

                EXPORT  __Vectors_Size



__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack

                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler

                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler

                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler

                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler

                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler

                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler

                DCD     0                          ; Reserved

                DCD     0                          ; Reserved

                DCD     0                          ; Reserved

                DCD     0                          ; Reserved

                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler

                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler

                DCD     0                          ; Reserved

                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler

                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler



                ; External Interrupts

                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     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1

                DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2

                DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3

                DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4

                DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5

                DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6

                DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7

                DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2

                DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX

                DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0

                DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1

                DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 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

                DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break

                DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update

                DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation

                DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 Capture Compare

                DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3

                DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC

                DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO

                DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5

                DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3

                DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4

                DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5

                DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6

                DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7

                DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1

                DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2

                DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3

                DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5

__Vectors_End

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。

复制

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。

只看该作者 · 2019-7-22 14:29

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。

复制

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：

复制

__main:

0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)

0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)

                 __scatterload_rt2_thumb_only:

0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4  ; @0x08000164

0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}

0x0800013E 4482      ADD      r10,r10,r0

0x08000140 4483      ADD      r11,r11,r0

0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01

                 __scatterload_null:

0x08000146 45DA      CMP      r10,r11

0x08000148 D101      BNE      0x0800014E

0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)

0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07  ; @0x08000147

0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}

0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x01

0x0800015A BF18      IT       NE

0x0800015C 1AFB      SUBNE    r3,r7,r3

0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01

0x08000162 4718      BX       r3

0x08000164 0298      LSLS     r0,r3,#10

0x08000166 0000      MOVS     r0,r0

0x08000168 02B8      LSLS     r0,r7,#10

0x0800016A 0000      MOVS     r0,r0

                 __scatterload_copy:

0x0800016C 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10

0x0800016E BF24      ITT      CS

0x08000170 C878      LDMCS    r0!,{r3-r6}

0x08000172 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}

0x08000174 D8FA      BHI      __scatterload_copy (0x0800016C)

0x08000176 0752      LSLS     r2,r2,#29

0x08000178 BF24      ITT      CS

0x0800017A C830      LDMCS    r0!,{r4-r5}

0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}

0x0800017E BF44      ITT      MI

0x08000180 6804      LDRMI    r4,[r0,#0x00]

0x08000182 600C      STRMI    r4,[r1,#0x00]

0x08000184 4770      BX       lr

0x08000186 0000      MOVS     r0,r0

                 __scatterload_zeroinit:

0x08000188 2300      MOVS     r3,#0x00

0x0800018A 2400      MOVS     r4,#0x00

0x0800018C 2500      MOVS     r5,#0x00

0x0800018E 2600      MOVS     r6,#0x00

0x08000190 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10

0x08000192 BF28      IT       CS

0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}

0x08000196 D8FB      BHI      0x08000190

0x08000198 0752      LSLS     r2,r2,#29

0x0800019A BF28      IT       CS

0x0800019C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}

0x0800019E BF48      IT       MI

0x080001A0 600B      STRMI    r3,[r1,#0x00]

0x080001A2 4770      BX       lr

                 __rt_lib_init:

0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}

0x080001A6 F3AF8000  NOP.W    

                 __rt_lib_init_user_alloc_1:

0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc}

                 __rt_lib_shutdown:

0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr}

                 __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:

0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}

                 __rt_entry_sh:

0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)

0x080001B4 4611      MOV      r1,r2

                 __rt_entry_postsh_1:

0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4)

                 __rt_entry_postli_1:

0x080001BA F000F919  BL.W     main (0x080003F0)