高手帶你分析STM32 的啟動過程(寫的不錯(cuò))
當(dāng)前的嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)過程里，并且C語言成為了絕大部分場合的最佳選擇。如此一來main函數(shù)似乎成為了理所當(dāng)然的起點(diǎn)——因?yàn)镃程序往往從main函數(shù)開始執(zhí)行。但一個(gè)經(jīng)常會被忽略的問題是：微控制器(單片機(jī))上電后，是如何尋找到并執(zhí)行main函數(shù)的呢?很顯然微控制器無法從硬件上定位main函數(shù)的入口地址，因?yàn)槭褂肅語言作為開發(fā)語言后，變量/函數(shù)的地址便由編譯器在編譯時(shí)自行分配，這樣一來main函數(shù)的入口地址在微控制器的內(nèi)部存儲空間中不再是絕對不變的。相信讀者都可以回答這個(gè)問題，答案也許大同小異，但肯定都有個(gè)關(guān)鍵詞，叫“啟動文件”，用英文單詞來描述是“Bootloader”。
無論性能高下，結(jié)構(gòu)簡繁，價(jià)格貴賤，每一種微控制器(處理器)都必須有啟動文件，啟動文件的作用便是負(fù)責(zé)執(zhí)行微控制器從“復(fù)位”到“開始執(zhí)行main函數(shù)”中間這段時(shí)間(稱為啟動過程)所必須進(jìn)行的工作。最為常見的51，AVR或MSP430等微控制器當(dāng)然也有對應(yīng)啟動文件，但開發(fā)環(huán)境往往自動完整地提供了這個(gè)啟動文件，不需要開發(fā)人員再行干預(yù)啟動過程，只需要從main函數(shù)開始進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)即可。
話題轉(zhuǎn)到STM32微控制器，無論是keiluvision4還是IAR EWARM開發(fā)環(huán)境，ST公司都提供了現(xiàn)成的直接可用的啟動文件，程序開發(fā)人員可以直接引用啟動文件后直接進(jìn)行C應(yīng)用程序的開發(fā)。這樣能大大減小開發(fā)人員從其它微控制器平臺跳轉(zhuǎn)至STM32平臺，也降低了適應(yīng)STM32微控制器的難度(對于上一代ARM的當(dāng)家花旦ARM9，啟動文件往往是第一道難啃卻又無法逾越的坎)。
相對于ARM上一代的主流ARM7/ARM9內(nèi)核架構(gòu)，新一代Cortex內(nèi)核架構(gòu)的啟動方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內(nèi)核的控制器在復(fù)位后，CPU會從存儲空間的絕對地址0x000000取出第一條指令執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序的方式啟動，即固定了復(fù)位后的起始地址為0x000000(PC = 0x000000)同時(shí)中斷向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3內(nèi)核則正好相反，有3種情況:
1、通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于SRAM區(qū)，即起始地址為0x2000000，同時(shí)復(fù)位后PC指針位于0x2000000處;
2、通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于FLASH區(qū)，即起始地址為0x8000000，同時(shí)復(fù)位后PC指針位于0x8000000處;
3、通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于內(nèi)置Bootloader區(qū)，本文不對這種情況做論述;
而Cortex-M3內(nèi)核規(guī)定，起始地址必須存放堆頂指針，而第二個(gè)地址則必須存放復(fù)位中斷入口向量地址，這樣在Cortex-M3內(nèi)核復(fù)位后，會自動從起始地址的下一個(gè)32位空間取出復(fù)位中斷入口向量，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。對比ARM7/ARM9內(nèi)核，Cortex-M3內(nèi)核則是固定了中斷向量表的位置而起始地址是可變化的。
有了上述準(zhǔn)備只是后，下面以STM32的2.02固件庫提供的啟動文件“stm32f10x_vector.s”為模板，對STM32的啟動過程做一個(gè)簡要而全面的解析。
程序清單一：
;文件“stm32f10x_vector.s”，其中注釋為行號
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
如程序清單一，STM32的啟動代碼一共224行，使用了匯編語言編寫，這其中的主要原因下文將會給出交代，F(xiàn)在從第一行開始分析：
? 第1行：定義是否使用外部SRAM，為1則使用，為0則表示不使用。此語行若用C語言表達(dá)則等價(jià)于：
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
? 第2行：定義？臻g大小為0x00000400個(gè)字節(jié)，即1Kbyte。此語行亦等價(jià)于：
#define Stack_Size 0x00000400
? 第3行：偽指令A(yù)REA，表示
? 第4行：開辟一段大小為Stack_Size的內(nèi)存空間作為棧。
? 第5行：標(biāo)號__initial_sp，表示？臻g頂?shù)刂贰?/p>
? 第6行：定義堆空間大小為0x00000400個(gè)字節(jié)，也為1Kbyte。
? 第7行：偽指令A(yù)REA，表示
? 第8行：標(biāo)號__heap_base，表示堆空間起始地址。
? 第9行：開辟一段大小為Heap_Size的內(nèi)存空間作為堆。
? 第10行：標(biāo)號__heap_limit，表示堆空間結(jié)束地址。
? 第11行：告訴編譯器使用THUMB指令集。
? 第12行：告訴編譯器以8字節(jié)對齊。
? 第13—81行：IMPORT指令，指示后續(xù)符號是在外部文件定義的(類似C語言中的全局變量聲明)，而下文可能會使用到這些符號。
? 第82行：定義只讀數(shù)據(jù)段，實(shí)際上是在CODE區(qū)(假設(shè)STM32從FLASH啟動，則此中斷向量表起始地址即為0x8000000)
? 第83行：將標(biāo)號__Vectors聲明為全局標(biāo)號，這樣外部文件就可以使用這個(gè)標(biāo)號。
? 第84行：標(biāo)號__Vectors，表示中斷向量表入口地址。
? 第85—160行：建立中斷向量表。
? 第161行：
? 第162行：復(fù)位中斷服務(wù)程序，PROC…ENDP結(jié)構(gòu)表示程序的開始和結(jié)束。
? 第163行：聲明復(fù)位中斷向量Reset_Handler為全局屬性，這樣外部文件就可以調(diào)用此復(fù)位中斷服務(wù)。
? 第164行：IF…ENDIF為預(yù)編譯結(jié)構(gòu)，判斷是否使用外部SRAM，在第1行中已定義為“不使用”。
? 第165—201行：此部分代碼的作用是設(shè)置FSMC總線以支持SRAM，因不使用外部SRAM因此此部分代碼不會被編譯。
? 第202行：聲明__main標(biāo)號。
? 第203—204行：跳轉(zhuǎn)__main地址執(zhí)行。
? 第207行：IF…ELSE…ENDIF結(jié)構(gòu)，判斷是否使用DEF:__MICROLIB(此處為不使用)。
? 第208—210行：若使用DEF:__MICROLIB，則將__initial_sp，__heap_base，__heap_limit亦即棧頂?shù)刂，堆始末地址賦予全局屬性，使外部程序可以使用。
? 第212行：定義全局標(biāo)號__use_two_region_memory。
? 第213行：聲明全局標(biāo)號__user_initial_stackheap，這樣外程序也可調(diào)用此標(biāo)號。
? 第214行：標(biāo)號__user_initial_stackheap，表示用戶堆棧初始化程序入口。
? 第215—218行：分別保存棧頂指針和棧大小，堆始地址和堆大小至R0，R1，R2，R3寄存器。
? 第224行：程序完畢。
以上便是STM32的啟動代碼的完整解析，接下來對幾個(gè)小地方做解釋：
1、 AREA指令：偽指令，用于定義代碼段或數(shù)據(jù)段，后跟屬性標(biāo)號。其中比較重要的一個(gè)標(biāo)號為“READONLY”或者“READWRITE”，其中“READONLY”表示該段為只讀屬性，聯(lián)系到STM32的內(nèi)部存儲介質(zhì)，可知具有只讀屬性的段保存于FLASH區(qū)，即0x8000000地址后。而“READONLY”表示該段為“可讀寫”屬性，可知“可讀寫”段保存于SRAM區(qū)，即0x2000000地址后。由此可以從第3、7行代碼知道，堆棧段位于SRAM空間。從第82行可知，中斷向量表放置與FLASH區(qū)，而這也是整片啟動代碼中最先被放進(jìn)FLASH區(qū)的數(shù)據(jù)。因此可以得到一條重要的信息：0x8000000地址存放的是棧頂?shù)刂穇_initial_sp，0x8000004地址存放的是復(fù)位中斷向量Reset_Handler(STM32使用32位總線，因此存儲空間為4字節(jié)對齊)。
2、 DCD指令：作用是開辟一段空間，其意義等價(jià)于C語言中的地址符“&”。因此從第84行開始建立的中斷向量表則類似于使用C語言定義了一個(gè)指針數(shù)組，其每一個(gè)成員都是一個(gè)函數(shù)指針，分別指向各個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)。
3、標(biāo)號：前文多處使用了“標(biāo)號”一詞。標(biāo)號主要用于表示一片內(nèi)存空間的某個(gè)位置，等價(jià)于C語言中的“地址”概念。地址僅僅表示存儲空間的一個(gè)位置，從C語言的角度來看，變量的地址，數(shù)組的地址或是函數(shù)的入口地址在本質(zhì)上并無區(qū)別。
4、第202行中的__main標(biāo)號并不表示C程序中的main函數(shù)入口地址，因此第204行也并不是跳轉(zhuǎn)至main函數(shù)開始執(zhí)行C程序。__main標(biāo)號表示C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫函數(shù)里的一個(gè)初始化子程序__main的入口地址。該程序的一個(gè)主要作用是初始化堆棧(對于程序清單一來說則是跳轉(zhuǎn)__user_initial_stackheap標(biāo)號進(jìn)行初始化堆棧的)，并初始化映像文件，最后跳轉(zhuǎn)C程序中的main函數(shù)。這就解釋了為何所有的C程序必須有一個(gè)main函數(shù)作為程序的起點(diǎn)——因?yàn)檫@是由C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫所規(guī)定的——并且不能更改，因?yàn)镃/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫并不對外界開發(fā)源代碼。因此，實(shí)際上在用戶可見的前提下，程序在第204行后就跳轉(zhuǎn)至.c文件中的main函數(shù)，開始執(zhí)行C程序了。
至此可以總結(jié)一下STM32的啟動文件和啟動過程。首先對棧和堆的大小進(jìn)行定義，并在代碼區(qū)的起始處建立中斷向量表，其第一個(gè)表項(xiàng)是棧頂?shù)刂罚诙䝼(gè)表項(xiàng)是復(fù)位中斷服務(wù)入口地址。然后在復(fù)位中斷服務(wù)程序中跳轉(zhuǎn)¬¬C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫的__main函數(shù)，完成用戶堆棧等的初始化后，跳轉(zhuǎn).c文件中的main函數(shù)開始執(zhí)行C程序。假設(shè)STM32被設(shè)置為從內(nèi)部FLASH啟動(這也是最常見的一種情況)，中斷向量表起始地位為0x8000000，則棧頂?shù)刂反娣庞?x8000000處，而復(fù)位中斷服務(wù)入口地址存放于0x8000004處。當(dāng)STM32遇到復(fù)位信號后，則從0x80000004處取出復(fù)位中斷服務(wù)入口地址，繼而執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序，然后跳轉(zhuǎn)__main函數(shù)，最后進(jìn)入mian函數(shù)，來到C的世界。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-18
