《STM32F103 精英开发指南V1.3》第九章 STM32启动过程分析（下）

正点原子运营 · 发表于 2024-6-14 10:57:23

本帖最后由正点原子运营于 2024-6-14 10:53 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

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9.2.3 系统启动流程

我们知道启动模式不同，启动的起始地址是不一样的，下面我们以代码下载到内部FLASH的情况举例，即代码从地址0x08000000开始被执行。

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 0x0800 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 0x0800 0004 处取出程序计数器指针PC 的初始值，该值指向中断服务程序 Reset_Handler。下面用示意图表示，如图9.2.3.1所示。

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

图9.2.3.1 复位序列

我们看看STM32F103开发板HAL库例程的实验1 跑马灯实验中，取出的MPS和PC的值是多少，方法如图9.2.3.2所示。

图9.2.3.2 取出的MPS和PC的值

由图9.2.3.2可以知道地址0x0800 0000的值是0x2000 0788，地址0x0800 0004的值是0x0800 01CD，即堆栈指针 SP =0x2400 0BD8，程序计数器指针PC = 0x08000339（即复位中断服务程序Reset_Handler的入口地址），即。因为CM3内核是小端模式，所以倒着读。

请注意，这与传统的 ARM 架构不同——其实也和绝大多数的其它单片机不同。传统的ARM 架构总是从 0 地址开始执行第一条指令。它们的 0 地址处总是一条跳转指令。而在 CM3内核中，0 地址处提供 MSP 的初始值，然后就是向量表（向量表在以后还可以被移至其它位置）。向量表中的数值是 32 位的地址，而不是跳转指令。向量表的第一个条目指向复位后应执行的第一条指令，就是Reset_Handler这个函数。下面继续以正点原子STM32F103MINI 开发板HAL库例程的实验1跑马灯实验为例，代码从地址0x0800 0000开始被执行，讲解一下系统启动，初始化堆栈、MSP和PC后的内存情况。

图9.2.3.3 初始化堆栈、MSP和PC后的内存情况

因为CM3使用的是向下生长的满栈，所以MSP的初始值必须是堆栈内存的末地址加1。

举例来说，如果你的栈区域在0x20000388�0x2000 0787（1KB大小）之间，那么MSP的初始值就必须是0x20000788。

向量表跟随在MSP的初始值之后——也就是第2个表目。

R15是程序计数器，在汇编代码中，可以使用名字“PC”来访问它。ARM规定：PC最低两位并不表示真实地址，最低位LSB用于表示是ARM指令（0）还是Thumb指令（1），因为 CM3 主要执行 Thumb指令，所以这些指令的最低位都是1（都是奇数）。因为 CM3 内部使用了指令流水线，读 PC 时返回的值是当前指令的地址+4。比如说：

0x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0x1004

如果向PC写数据，就会引起一次程序的分支（但是不更新LR寄存器）。CM3中的指令至少是半字对齐的，所以PC的LSB总是读回 0。然而，在分支时，无论是直接写PC的值还是使用分支指令，都必须保证加载到PC的数值是奇数（即LSB=1），表明是在Thumb状态下执行。倘若写了0，则视为转入ARM模式，CM3将产生一个fault异常。

正因为上述原因，图9.2.3.3中使用0x0800 01CD来表达地址0x0800 01CC。当0x0800 01CD 处的指令得到执行后，就正式开始了程序的执行（即去到C的世界）。所以在此之前初始化 MSP 是必需的，因为可能第1条指令还没执行就会被 NMI 或是其它 fault 打断。MSP 初始化好后就已经为它们的服务例程准备好了堆栈。

STM32启动文件分析就给大家介绍到这里，更多内容请看《STM32启动文件浅析》。

9.3 map文件分析

9.3.1 MDK编译生成文件简介

MDK编译工程，会生成一些中间文件（如.o、.axf、.map 等），最终生成hex文件，以便下载到MCU上面执行，以STM32F103开发板HAL库例程的实验1跑马灯实验为例（其他开发板类似），编译过程产生的所有文件，都存放在 Output文件夹下，如图9.3.1.1 所示：

图9.3.1.1 MDK编译过程生成的文件

可以看到，总共生成了43个文件，11个类型，分别是：.axf、.crf、.d、.dep、.hex、.lnp、.lst、.o、.htm、bulild_log.htm 和.map。43个文件（勾选Browse informatio-n时为59个）看着不是很多，但是随着工程的增大，这些文件也会越来越多，大项目编译一次，可以生成几百甚至上千个这种文件，不过文件类型基本就是上面这些。

对于MDK工程来说，基本上任何工程在编译过程中都会有这11类文件，常见的MDK编译过程生产文件类型如表 9.3.1.1所示：

表 9.3.1.1 常见的中间文件类型说明

注 1，可重定向是指该文件包含数据/代码，但是并没有指定地址，它的地址可由后续链接的时候进行指定。

注 2，不可重定向是指该文件所包含的数据/代码都已经指定地址了，不能再改变。

9.3.2 map文件分析

.map文件是编译器链接时生成的一个文件，它主要包含了交叉链接信息。通过.map文件，我们可以知道整个工程的函数调用关系、FLASH和RAM占用情况及其详细汇总信息，能具体到单个源文件（.c/.s）的占用情况，根据这些信息，我们可以对代码进行优化。.map 文件可以分为以下5个组成部分：

1，程序段交叉引用关系（Section Cross References）

2，删除映像未使用的程序段（Removing Unused input sections from theimage）

3，映像符号表（Image Symbol Table）

4，映像内存分布图（Memory Map of the image）

5，映像组件大小（Image component sizes）

9.3.2.1 map文件的MDK设置

要生成map文件，我们需要在MDK的魔术棒→Listing选项卡里面，进行相关设置，如图9.3.2.1.1所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg

图 9.3.2.1.1 .map 文件生成设置

图9.3.2.1.1中红框框出的部分就是我们需要设置的，默认情况下，MDK 这部分设置就是全勾选的，如果我们想取消掉一些信息的输出，则取消相关勾选即可（一般不建议）。

如图9.3.2.1.1设置好MDK以后，我全编译当前工程，当编译完成后（无错误），就会生成.map文件。在MDK里面打开.map 文件的方法如图9.3.2.1.2所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg

图9.3.2.1.2 打开.map文件

1，先确保工程编译成功（无错误）。

2，双击LED，打开.map文件。

3，map文件打开成功。

9.3.2.2 map文件的基础概念

为了更好的分析map文件，我们先对需要用到的一些基础概念进行一个简单介绍，相关概念如下：

Section：描述映像文件的代码或数据块，我们简称程序段

RO：ReadOnly 的缩写，包括只读数据（RO data）和代码（RO code）两部分内容，占用 FLASH 空间

RW：ReadWrite 的缩写，包含可读写数据（RW data，有初值，且不为 0），占用 FLASH（存储初值）和 RAM（读写操作）

ZI：Zeroinitialized 的缩写，包含初始化为 0 的数据（ZI data），占用 RAM 空间。

.text：相当于 RO code

.constdata：相当于 RO data

.bss：相当于 ZI data

.data：相当于 RW data

9.3.2.3 map文件的组成部分说明

我们前面说map 文件分为5个部分组成，下面以STM32F103开发板HAL库例程的实验1跑马灯实验为例，简要讲解一下。

1.程序段交叉引用关系（Section Cross References）

这部分内容描述了各个文件（.c/.s 等）之间函数（程序段）的调用关系，举个例子如图9.3.2.3.1所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg

图9.3.2.3.1 程序段交叉引用关系图

上图中，框出部分：

main.o(i.main)refers to sys.o(i.sys_stm32_clock_init) for sys_stm32_clock_init表示：main.c 文件中的 main 函数，调用了 sys.c 中的 sys_stm32_clock_init 函数。其中：i.main表示 main 函数的入口地址，同理 i. sys_stm32_clock_init 表示 sys_stm32_clock_init函数的入口地址。

2. 删除映像未使用的程序段（Removing Unused input sections from the image）

这部分内容描述了工程中由于未被调用而被删除的冗余程序段（函数/数据），如图9.3.2.3.2 所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg

图9.3.2.3.2 删除未用到的程序段

上图中，列出了所有被移除的程序段，比如usart.c里面的usart_init函数就被移除了，因为该例程没用到usart_init函数。

另外，在最后还有一个统计信息：216 unused section(s) (total15556bytes) removed from the image. 表示总共移除了216个程序段（函数/数据），大小为15556字节。即给我们的 MCU 节省了 15556字节的程序空间。

为了更好的节省空间，我们一般在 MDK→魔术棒→C/C++选项卡里面勾选：One ELFSection per Function，如图 9.3.2.3.3所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.jpg

图9.3.2.3.3 MDK 勾选 One ELF Section per Function

3. 映像符号表（Image Symbol Table）

映像符号表（Image Symbol Table）描述了被引用的各个符号（程序段/数据）在存储器中的存储地址、类型、大小等信息。映像符号表分为两类：本地符号（Local Symbols）和全局符号（Global Symbols）。

本地符号（Local Symbols）记录了用 static 声明的全局变量地址和大小，c文件中函数的地址和用static声明的函数代码大小，汇编文件中的标号地址（作用域：限本文件）。

全局符号（Global Symbols）记录了全局变量的地址和大小，C文件中函数的地址及其代码大小，汇编文件中的标号地址（作用域：全工程）。

4. 映像内存分布图（Memory Map of the image）

映像文件分为加载域（Load Region）和运行域（Execution Region）。一个加载域必须有至少一个运行域（可以有多个运行域），而一个程序又可以有多个加载域。加载域为映像程序的实际存储区域，而运行域则是 MCU上电后的运行状态。加载域和运行域的简化关系（这里仅表示一个加载域的情况）图，如图9.3.2.3.4所示：

file:///C:/Users/ALIENTEK/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.png

图9.3.2.3.4 加载域运行域关系

由图可知，RW区也是存放在 ROM（FLASH）里面的，在执行main函数之前，RW（有初值且不为0的变量）数据会被拷贝到RAM区，同时还会在RAM里面创建ZI区（初始化为0的变量）。

5. 映像组件大小（Image component sizes）

映像组件大小（Image component sizes）给出了整个映像所有代码（.o）占用空间的汇总信息。这部分是程序实际功能可执行代码的存储空间。

由于篇幅较长，更多内容请大家查阅《STM32 MAP文件浅析》文档的内容。

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《STM32F103 精英开发指南V1.3》第九章 STM32启动过程分析（下）

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