本帖最后由 正点原子运营 于 2024-6-14 09:39 编辑
第九章 STM32启动过程分析 1）实验平台：正点原子 精英STM32F103开发板
2) 章节摘自【正点原子】STM32F103开发指南 V1.3
6）正点原子STM32技术交流QQ群:672399978
本章给大家分析STM32F1的启动过程，这里的启动过程是指从STM32芯片上电复位执行的第一条指令开始，到执行用户编写的main函数这之间的过程。我们编写程序，基本都是用C语言编写，并且以main函数作为程序的入口。但是事实上，main函数并非最先执行的，在此之前需要做一些准备工作，准备工作通过启动文件的程序来完成。理解STM32启动过程，对今后的学习和分析STM32程序有很大的帮助。 注意：学习本章内容之前，请大家最好先阅读由正点原子团队编写的《STM32 启动文件浅析》和《MAP文件浅析》这两份文档（路径：A盘à1，入门资料）。 本章将分为如下几个小节： 9.1 启动模式 9.2 启动文件分析 9.3 map文件分析
9.1 启动模式我们知道的复位方式有三种：上电复位，硬件复位和软件复位。当产生复位，并且离开复位状态后，CM3内核做的第一件事就是读取下列两个32位整数的值： （1）从地址 0x0000 0000 处取出堆栈指针MSP 的初始值，该值就是栈顶地址。 （2）从地址 0x0000 0004 处取出程序计数器指针PC 的初始值，该值指向复位后执行的第一条指令。下面用示意图表示，如图9.1.1所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg 图9.1.1 复位序列 上述过程中，内核是从0x0000 0000和0x0000 0004两个的地址获取堆栈指针SP和程序计数器指针PC。事实上，0x0000 0000和0x0000 0004两个的地址可以被重映射到其他的地址空间。例如：我们将0x08000000映射到 0x00000000，即从内部FLASH启动，那么内核会从地址0x0800 0000处取出堆栈指针MSP 的初始值，从地址0x0800 0004处取出程序计数器指针PC的初始值。CPU会从PC寄存器指向的地址空间取出的第1条指令开始执行程序，就是开始执行复位中断服务程序Reset_Handler。将0x0000 0000和0x0000 0004两个地址重映射到其他的地址空间，就是启动模式选择。 对于STM32F1的启动模式（也称自举模式），我们看表9.1.1进行分析。 表9.1.1 启动模式选择表 注：启动引脚的电平：0：低电平；1：高电平；x:任意电平，即高低电平均可 由表9.1.1可以看到，STM32F1根据BOOT引脚的电平选择启动模式，这两个BOOT引脚根据外部施加的电平来决定芯片的启动地址。（0和1的准确电平范围可以查看F103系列数据手册I/O特性表，但我们最好是设置成GND和VDD的电平值） （1）内部FLASH启动方式 当芯片上电后采样到BOOT0引脚为低电平时，0x00000000和0x00000004地址被映射到内部FLASH的首地址0x08000000和0x08000004。因此，内核离开复位状态后，读取内部FLASH的0x08000000地址空间存储的内容，赋值给栈指针MSP，作为栈顶地址，再读取内部FLASH的0x08000004地址空间存储的内容，赋值给程序指针PC，作为将要执行的第一条指令所在的地址。完成这两个操作后，内核就可以开始从PC指向的地址中读取指令执行了。 （2）内部SRAM启动方式 类似于内部Flash，当芯片上电后采样到BOOT0和BOOT1引脚均为高电平时，地址0x00000000和0x00000004被映射到内部SRAM的首地址0x20000000和0x20000004，内核从SRAM空间获取内容进行自举。在实际应用中，由启动文件starttup_stm32f103xe.s决定了0x00000000和0x00000004地址存储什么内容，链接时，由分散加载文件(sct)决定这些内容的绝对地址，即分配到内部FLASH还是内部SRAM。 （3）系统存储器启动方式 当芯片上电后采样到 BOOT0 =1，BOOT1=0的组合时，内核将从系统存储器的0x1FFFF000及0x1FFFF004获取MSP及PC值进行自举。系统存储器是一段特殊的空间，用户不能访问，ST公司在芯片出厂前就在系统存储器中固化了一段代码。因而使用系统存储器启动方式时，内 9.2.1 启动文件中的一些指令表9.2.1.1 启动文件的汇编指令 上表，列举了STM32启动文件的一些汇编和编译器指令，关于其他更多的ARM汇编指令，我们可以通过MDK的索引搜索工具中搜索找到。打开索引搜索工具的方法：MDK->Help->uVision Help，如图9.2.1.1所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg 图9.2.1.1打开索引搜索工具的方法 打开之后，我们以EQU为例，演示一下怎么使用，如图9.2.1.2所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg 图9.2.1.2 搜索EQU汇编指令 搜索到的结果有很多，我们只需要看位置为Assembler User Guide这部分即可。 9.2.2 启动文件代码讲解 注意：下面的图是经过优化截取，所以后面提及到的行号，请大家对照源文件进行查看。 （1）栈空间的开辟 栈空间的开辟，源码如图9.2.2.1所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg 图9.2.2.1 栈空间的开辟 源码含义：开辟一段大小为0x0000 0400（1KB）的栈空间，段名为STACK，NOINIT 表示不初始化； READWRITE 表示可读可写；ALIGN=3，表示按照 2^3对齐，即 8 字节对齐。 AREA汇编一个新的代码段或者数据段。 SPACE分配内存指令，分配大小为Stack_Size字节连续的存储单元给栈空间。 __initial_sp紧挨着SPACE放置，表示栈的结束地址，栈是从高往低生长，所以结束地址就是栈顶地址。 栈主要用于存放局部变量，函数形参等，属于编译器自动分配和释放的内存，栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。如果工程的程序量比较大，定义的局部变量比较多，那么就需要在启动代码中修改栈的大小，即修改Stack_Size的值。如果程序出现了莫名其妙的错误，并进入了HardFault的时候，你就要考虑下是不是栈空间不够大，溢出了的问题。 （2）堆空间的开辟 堆空间的开辟，源码如图9.2.2.2所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg 图9.2.2.2堆空间的开辟 源码含义：开辟一段大小为0x00000200（512字节）的堆空间，段名为HEAP，不初始化，可读可写，8字节对齐。 __heap_base表示堆的起始地址，__heap_limit表示堆的结束地址。堆和栈的生长方向相反的，堆是由低向高生长，而栈是从高往低生长。 堆主要用于动态内存的分配，像malloc()、calloc()和realloc()等函数申请的内存就在堆上面。堆中的内存一般由程序员分配和释放，程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。 接下来是PRESERVE8和THUMB指令两行代码。如图9.2.2.3所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg 图9.2.2.3PRESERVE8和THUMB指令 PRESERVE8：指示编译器按照8字节对齐。 THUMB：指示编译器之后的指令为THUMB指令。 注意：由于正点原子提供了独立的内存管理实现方式（mymalloc，myfree等），并不需要使用C库的malloc和free等函数，也就用不到堆空间，因此我们可以设置Heap_Size的大小为0，以节省内存空间。 （3）中断向量表定义（简称：向量表） 为中断向量表定义一个数据段，如图9.2.2.4所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg 图9.2.2.4 为中断向量表定义一个数据段 源码含义：定义一个数据段，名字为RESET, READONLY表示只读。EXPORT表示声明一个标号具有全局属性，可被外部的文件使用。这里是声明了__Vectors、__Vectors_End和__Vectors_Size三个标号具有全局性，可被外部的文件使用。 STM32F103的中断向量表定义代码，如图9.2.2.5所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg 图9.2.2.5中断向量表定义代码 __Vectors 为向量表起始地址， __Vectors_End 为向量表结束地址，__Vectors_Size为向量表大小，__Vectors_Size = __Vectors_End - __Vectors。 DCD：分配一个或者多个以字为单位的内存，以四字节对齐，并要求初始化这些内存。 中断向量表被放置在代码段的最前面。例如：当我们的程序在FLASH运行时，那么向量表的起始地址是：0x0800 0000。结合图9.2.2.5可以知道，地址0x0800 0000存放的是栈顶地址。DCD以四字节对齐分配内存，也就是下个地址是0x0800 0004，存放的是Reset_Handler中断函数入口地址。 从代码上看，向量表中存放的都是中断服务函数的函数名，所以C语言中的函数名对芯片来说实际上就是一个地址。 STM32F103的中断向量表可以在《STM32F10xxx参考手册_V10（中文版）.pdf》的第9章的9.1.2小节找到，与中断向量表定义代码是对应的。 （4）复位程序 接下来是定义只读代码段，如图9.2.2.6所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg 图9.2.2.6 定义只读代码段 定义一个段命为.text，只读的代码段，在CODE区。 复位子程序代码，如图9.2.2.7所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.jpg 图9.2.2.7 复位子程序代码 利用PROC、ENDP这一对伪指令把程序段分为若干个过程，使程序的结构加清晰。 复位子程序是复位后第一个被执行的程序，主要是调用SystemInit函数配置系统时钟、还有就是初始化FSMC/FMC总线上外挂的SRAM(可选)。然后在调用C库函数__main，最终调用main函数去到C的世界。 EXPORT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。 WEAK：表示弱定义，如果外部文件优先定义了该标号则首先引用外部定义的标号，如果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位子程序可以由用户在其他文件重新实现，这里并不是唯一的。 IMPORT表示该标号来自外部文件。这里表示SystemInit和__main这两个函数均来自外部的文件。 LDR、BLX、BX是内核指令，可在《Cortex-M3权威指南》第四章-指令集里面查询到。 LDR表示从存储器中加载字到一个存储器中。 BLX表示跳转到由寄存器给出的地址，并根据寄存器的LSE确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到LR。 BX表示跳转到由寄存器/标号给出的地址，不用返回。这里表示切换到__main地址，最终调用main函数，不返回，进入C的世界。 （5）中断服务程序 接下来就是中断服务程序了，如图9.2.2.8所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg 图9.2.2.8 中断服务程序 可以看到这些中断服务函数都被[WEAK]声明为弱定义函数，如果外部文件声明了一个标号，则优先使用外部文件定义的标号，如果外部文件没有定义也不会出错。 这些中断函数分为系统异常中断和外部中断，外部中断根据不同芯片有所变化。B指令是跳转到一个标号，这里跳转到一个‘.’，表示无限循环。 在启动文件代码中，已经把我们所有中断的中断服务函数写好了，但都是声明为弱定义，所以真正的中断服务函数需要我们在外部实现。 如果我们开启了某个中断，但是忘记写对应的中断服务程序函数又或者把中断服务函数名写错，那么中断发生时，程序就会跳转到启动文件预先写好的弱定义的中断服务程序中，并且在B指令作用下跳转到一个‘.’中，无限循环。 这里的系统异常中断部分是内核的，外部中断部分是外设的。 （6）用户堆栈初始化 ALIGN指令，如图9.2.2.9所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg 图9.2.2.9 ALIGN指令 ALIGN表示对指令或者数据的存放地址进行对齐，一般需要跟一个立即数，缺省表示4字节对齐。要注意的是，这个不是ARM的指令，是编译器的。 接下就是启动文件最后一部分代码，用户堆栈初始化代码，如图9.2.2.10所示： file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.jpg 图9.2.2.10 用户堆栈初始化代码 IF, ELSE, ENDIF是汇编的条件分支语句。 588行判断是否定义了__MICROLIB。关于__MICROLIB这个宏定义，我们是在KEIL里面配置，具体方法如图9.2.2.11所示。 file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.jpg 图9.2.2.11 __MICROLIB定义方法 勾选了Use MicroLIB就代表定义了__MICROLIB这个宏。 如果定义__MICROLIB，声明__initial_sp、__heap_base和__heap_limit这三个标号具有全局属性，可被外部的文件使用。__initial_sp表示栈顶地址，__heap_base表示堆起始地址，__heap_limit表示堆结束地址。 如果没有定义__MICROLIB，实际的情况就是我们没有定义__MICROLIB，所以使用默认的C库运行。那么堆栈的初始化由C库函数__main来完成。 IMPORT声明__use_two_region_memory标号来自外部文件。 EXPORT声明__user_initial_stackheap具有全局属性，可被外部的文件使用。 340行标号__user_initial_stackheap，表示用户堆栈初始化程序入口。 接下来进行堆栈空间初始化，堆是从低到高生长，栈是从高到低生长，是两个互相独立的数据段，并且不能交叉使用。 344行保存堆起始地址。345行保存栈大小。346行保存堆大小。347行保存栈顶指针。348行跳转到LR标号给出的地址，不用返回。354行END表示到达文件的末尾，文件结束。 Use MicroLIB MicroLIB是MDK自带的微库，是缺省C库的备选库，MicroLIB进行了高度优化使得其代码变得很小，功能比缺省C库少。MicroLIB是没有源码的，只有库。 | 
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发表于 2024-6-14 09:39:43
