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  • 005:DIY 解析STM32启动过程(转)

    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。
    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

      1 DATA_IN_ExtSRAM EQU 01
      2 Stack_Size EQU 0x00000400 ;2
      3 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 33
      4 Stack_Mem SPACE Stack_Size ;4
      5 __initial_sp ;5
      6 Heap_Size EQU 0x00000400 ;6
      7 AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 37
      8 __heap_base ;8
      9 Heap_Mem SPACE Heap_Size ;9
     10 __heap_limit ;10
     11 THUMB ;11
     12 PRESERVE8 ;12
     13 IMPORT NMIException ;13
     14 IMPORT HardFaultException ;14
     15 IMPORT MemManageException ;15
     16 IMPORT BusFaultException ;16
     17 IMPORT UsageFaultException ;17
     18 IMPORT SVCHandler ;18
     19 IMPORT DebugMonitor ;19
     20 IMPORT PendSVC ;20
     21 IMPORT SysTickHandler ;21
     22 IMPORT WWDG_IRQHandler ;22
     23 IMPORT PVD_IRQHandler ;23
     24 IMPORT TAMPER_IRQHandler ;24
     25 IMPORT RTC_IRQHandler ;25
     26 IMPORT FLASH_IRQHandler ;26
     27 IMPORT RCC_IRQHandler ;27
     28 IMPORT EXTI0_IRQHandler ;28
     29 IMPORT EXTI1_IRQHandler ;29
     30 IMPORT EXTI2_IRQHandler ;30
     31 IMPORT EXTI3_IRQHandler ;31
     32 IMPORT EXTI4_IRQHandler ;32
     33 IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler ;33
     34 IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler ;34
     35 IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler ;35
     36 IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler ;36
     37 IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler ;37
     38 IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler ;38
     39 IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler ;39
     40 IMPORT ADC1_2_IRQHandler ;40
     41 IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;41
     42 IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;42
     43 IMPORT CAN_RX1_IRQHandler ;43
     44 IMPORT CAN_SCE_IRQHandler ;44
     45 IMPORT EXTI9_5_IRQHandler ;45
     46 IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler ;46
     47 IMPORT TIM1_UP_IRQHandler ;47
     48 IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;48
     49 IMPORT TIM1_CC_IRQHandler ;49
     50 IMPORT TIM2_IRQHandler ;50
     51 IMPORT TIM3_IRQHandler ;51
     52 IMPORT TIM4_IRQHandler ;52
     53 IMPORT I2C1_EV_IRQHandler ;53
     54 IMPORT I2C1_ER_IRQHandler ;54
     55 IMPORT I2C2_EV_IRQHandler ;55
     56 IMPORT I2C2_ER_IRQHandler ;56
     57 IMPORT SPI1_IRQHandler ;57
     58 IMPORT SPI2_IRQHandler ;58
     59 IMPORT USART1_IRQHandler ;59
     60 IMPORT USART2_IRQHandler ;60
     61 IMPORT USART3_IRQHandler ;61
     62 IMPORT EXTI15_10_IRQHandler ;62
     63 IMPORT RTCAlarm_IRQHandler ;63
     64 IMPORT USBWakeUp_IRQHandler ;64
     65 IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler ;65
     66 IMPORT TIM8_UP_IRQHandler ;66
     67 IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;67
     68 IMPORT TIM8_CC_IRQHandler ;68
     69 IMPORT ADC3_IRQHandler ;69
     70 IMPORT FSMC_IRQHandler ;70
     71 IMPORT SDIO_IRQHandler ;71
     72 IMPORT TIM5_IRQHandler ;72
     73 IMPORT SPI3_IRQHandler ;73
     74 IMPORT UART4_IRQHandler ;74
     75 IMPORT UART5_IRQHandler ;75
     76 IMPORT TIM6_IRQHandler ;76
     77 IMPORT TIM7_IRQHandler ;77
     78 IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler ;78
     79 IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler ;79
     80 IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler ;80
     81 IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;81
     82 AREA RESET, DATA, READONLY ;82
     83 EXPORT __Vectors ;83
     84 __Vectors ;84
     85 DCD __initial_sp ;85
     86 DCD Reset_Handler ;86
     87 DCD NMIException ;87
     88 DCD HardFaultException ;88
     89 DCD MemManageException ;89
     90 DCD BusFaultException ;90
     91 DCD UsageFaultException ;91
     92 DCD 092
     93 DCD 093
     94 DCD 094
     95 DCD 095
     96 DCD SVCHandler ;96
     97 DCD DebugMonitor ;97
     98 DCD 098
     99 DCD PendSVC ;99
    100 DCD SysTickHandler ;100
    101 DCD WWDG_IRQHandler ;101
    102 DCD PVD_IRQHandler ;102
    103 DCD TAMPER_IRQHandler ;103
    104 DCD RTC_IRQHandler ;104
    105 DCD FLASH_IRQHandler ;105
    106 DCD RCC_IRQHandler ;106
    107 DCD EXTI0_IRQHandler ;107
    108 DCD EXTI1_IRQHandler ;108
    109 DCD EXTI2_IRQHandler ;109
    110 DCD EXTI3_IRQHandler ;110
    111 DCD EXTI4_IRQHandler ;111
    112 DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ;112
    113 DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ;113
    114 DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ;114
    115 DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ;115
    116 DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ;116
    117 DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ;117
    118 DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ;118
    119 DCD ADC1_2_IRQHandler ;119
    120 DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;120
    121 DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;121
    122 DCD CAN_RX1_IRQHandler ;122
    123 DCD CAN_SCE_IRQHandler ;123
    124 DCD EXTI9_5_IRQHandler ;124
    125 DCD TIM1_BRK_IRQHandler ;125
    126 DCD TIM1_UP_IRQHandler ;126
    127 DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;127
    128 DCD TIM1_CC_IRQHandler ;128
    129 DCD TIM2_IRQHandler ;129
    130 DCD TIM3_IRQHandler ;130
    131 DCD TIM4_IRQHandler ;131
    132 DCD I2C1_EV_IRQHandler ;132
    133 DCD I2C1_ER_IRQHandler ;133
    134 DCD I2C2_EV_IRQHandler ;134
    135 DCD I2C2_ER_IRQHandler ;135
    136 DCD SPI1_IRQHandler ;136
    137 DCD SPI2_IRQHandler ;137
    138 DCD USART1_IRQHandler ;138
    139 DCD USART2_IRQHandler ;139
    140 DCD USART3_IRQHandler ;140
    141 DCD EXTI15_10_IRQHandler ;141
    142 DCD RTCAlarm_IRQHandler ;142
    143 DCD USBWakeUp_IRQHandler ;143
    144 DCD TIM8_BRK_IRQHandler ;144
    145 DCD TIM8_UP_IRQHandler ;145
    146 DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;146
    147 DCD TIM8_CC_IRQHandler ;147
    148 DCD ADC3_IRQHandler ;148
    149 DCD FSMC_IRQHandler ;149
    150 DCD SDIO_IRQHandler ;150
    151 DCD TIM5_IRQHandler ;151
    152 DCD SPI3_IRQHandler ;152
    153 DCD UART4_IRQHandler ;153
    154 DCD UART5_IRQHandler ;154
    155 DCD TIM6_IRQHandler ;155
    156 DCD TIM7_IRQHandler ;156
    157 DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ;157
    158 DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ;158
    159 DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ;159
    160 DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;160
    161 AREA |.text|, CODE, READONLY ;161
    162 Reset_Handler PROC ;162
    163 EXPORT Reset_Handler ;163
    164 IF DATA_IN_ExtSRAM == 1164
    165 LDR R0,= 0x00000114 ;165
    166 LDR R1,= 0x40021014 ;166
    167 STR R0,[R1] ;167
    168 LDR R0,= 0x000001E0 ;168
    169 LDR R1,= 0x40021018 ;169
    170 STR R0,[R1] ;170
    171 LDR R0,= 0x44BB44BB ;171
    172 LDR R1,= 0x40011400 ;172
    173 STR R0,[R1] ;173
    174 LDR R0,= 0xBBBBBBBB ;174
    175 LDR R1,= 0x40011404 ;175
    176 STR R0,[R1] ;176
    177 LDR R0,= 0xB44444BB ;177
    178 LDR R1,= 0x40011800 ;178
    179 STR R0,[R1] ;179
    180 LDR R0,= 0xBBBBBBBB ;180
    181 LDR R1,= 0x40011804 ;181
    182 STR R0,[R1] ;182
    183 LDR R0,= 0x44BBBBBB ;183
    184 LDR R1,= 0x40011C00 ;184
    185 STR R0,[R1] ;185
    186 LDR R0,= 0xBBBB4444 ;186
    187 LDR R1,= 0x40011C04 ;187
    188 STR R0,[R1] ;188
    189 LDR R0,= 0x44BBBBBB ;189
    190 LDR R1,= 0x40012000 ;190
    191 STR R0,[R1] ;191
    192 LDR R0,= 0x44444B44 ;192
    193 LDR R1,= 0x40012004 ;193
    194 STR R0,[R1] ;194
    195 LDR R0,= 0x00001011 ;195
    196 LDR R1,= 0xA0000010 ;196
    197 STR R0,[R1] ;197
    198 LDR R0,= 0x00000200 ;198
    199 LDR R1,= 0xA0000014 ;199
    200 STR R0,[R1] ;200
    201 ENDIF ;201
    202 IMPORT __main ;202
    203 LDR R0, =__main ;203
    204 BX R0 ;204
    205 ENDP ;205
    206 ALIGN ;206
    207 IF :DEF:__MICROLIB ;207
    208 EXPORT __initial_sp ;208
    209 EXPORT __heap_base ;209
    210 EXPORT __heap_limit ;210
    211 ELSE ;211
    212 IMPORT __use_two_region_memory ;212
    213 EXPORT __user_initial_stackheap ;213
    214 __user_initial_stackheap ;214
    215 LDR R0, = Heap_Mem ;215
    216 LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size) ;216
    217 LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) ;217
    218 LDR R3, = Stack_Mem ;218
    219 BX LR ;219
    220 ALIGN ;220
    221 ENDIF ;221
    222 END ;222
    223 ENDIF ;223
    224 END ;224

    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。
    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)。
    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。
    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。
    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。
    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。

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