STM32-启动文件详解

本章参考资料《STM32F4xx 中文参考手册》第十章-中断和事件：表 46.STM32F42xxx 和 STM32F43xxx 的向量表； MDK 中的帮助手册—ARM Development Tools：用来查询 ARM 的汇编指令和编译器相关的指令。

启动文件简介

启动文件由汇编编写，是系统上电复位后的第一个执行的程序。

主要做以下工作：

1、初始化堆栈指针SP = _initial_sp

2、初始化PC指针 = Reset_Handler

3、初始化中断向量表

4、配置系统时钟

5、调用C库函数_main初始化用户堆栈，从而最终调用main函数去到C的世界

查找ARM汇编指令

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启动文件代码讲解

Stack——栈

Stack_Size EQU 0x00000400 
            AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 
Stack_Mem SPACE Stack_Size 
__initial_sp

开辟栈的大小为0x00000400(1KB)，名字为STACK，NOINIT即不初始化，可读可写，8(2^3)字节对齐。

栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM的大小。如果编写的程序比较大，定义的局部变量很多，那么就需要修改栈的大小。如果某一天，你写的程序出现了莫名奇怪的错误，并进入了硬 fault 的时候，这时你就要考虑下是不是栈不够大，溢出了。

EQU：宏定义的伪指令，相当于等于，类似与 C 中的 define。

AREA：告诉汇编器汇编一个新的代码段或者数据段。 STACK 表示段名，这个可以任意命名； 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。

SPACE：用于分配一定大小的内存空间，单位为字节。这里指定大小等于 Stack_Size。

标号__initial_sp 紧挨着 SPACE 语句放置，表示栈的结束地址，即栈顶地址，栈是由高向低生长的。

Heap——堆

Heap_Size EQU 0x00000200 
            AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 
__heap_base 
Heap_Mem SPACE Heap_Size 
__heap_limit

开辟堆的大小为 0X00000200（512 字节），名字为 HEAP， NOINIT 即不初始化，可读可写， 8（2^3）字节对齐。 __heap_base 表示堆的起始地址， __heap_limit 表示堆的结束地址。堆是由低向高生长的，跟栈的生长方向相反。

堆主要是用来动态内存的分配，像malloc()函数申请的内存就在堆上面。这在STM32里面用的比较少。

PRESERVE8 
THUMB

PRESERVE8： 指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。

THUMB： 表示后面指令兼容 THUMB 指令。 THUBM 是 ARM 以前的指令集， 16bit，现在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集， THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超级。

向量表

AREA RESET, DATA, READONLY 
EXPORT __Vectors 
EXPORT __Vectors_End 
EXPORT __Vectors_Size 
...

定义一个数据段，名字为RESET，可读。并声明__Vectors、__Vectors、__Vectors_Size 这三个标号具有全局属性，可供外部的文件调用。

EXPORT： 声明一个标号可被外部的文件使用，使标号具有全局属性。如果是 IAR 编译器，则使用的是 GLOBAL 这个指令。

当内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程(ESR)就会执行。为了决定 ESR的入口地址， 内核使用了―向量表查表机制‖。这里使用一张向量表。向量表其实是一个WORD（32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0） 处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。要注意的是这里有个另类： 0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值。

__Vectors 为向量表起始地址， __Vectors_End 为向量表结束地址，两个相减即可算出向量表大小。

向量表从 FLASH 的 0 地址开始放置，以 4 个字节为一个单位，地址 0 存放的是栈顶地址， 0X04 存放的是复位程序的地址，以此类推。从代码上看，向量表中存放的都是中断服务函数的函数名，可我们知道 C 语言中的函数名就是一个地址。

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。在向量表中， DCD 分配了一堆内存，并且以 ESR 的入口地址初始化它们。

复位程序

AREA |.text|, CODE, READONLY

定义一个名字叫.text的代码段，可读。

Reset_Handler PROC 
                EXPORT Reset_Handler [WEAK]
                IMPORT SystemInit 
                IMPORT __main LDR R0, =SystemInit         
                BLX R0 
                LDR R0, =__main 
                BX R0 ENDP

复位子程序是系统上电后第一个执行的程序，调用SystemInit函数初始化系统时钟，然后调用C库函数_main， 最终调用main函数去到C的世界。

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该标号，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，跟 C 语言中的 EXTERN 关键字类似。这里表示 SystemInit 和__main 这两个函数均来自外部的文件。

SystemInit()是一个标准的库函数，在 system_stm32f4xx.c 这个库文件总定义。主要作用是配置系统时钟，这里调用这个函数之后， F429 的系统时钟配被配置为 180M。

__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，最终调用 main 函数去到 C 的世界。这就是为什么我们写的程序都有一个 main 函数的原因。如果我们在这里不调用__main，那么程序最终就不会调用我们 C 文件里面的 main，如果是调皮的用户就可以修改主函数的名称，然后在这里面 IMPORT 你写的主函数名称即可。

中断服务程序

在启动文件里面已经帮我们写好所有中断的中断服务函数，跟我们平时写的中断服务函数不一样的就是这些函数都是空的，真正的中断服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置而已。

如果我们在使用某个外设的时候，开启了某个中断，但是又忘记编写配套的中断服务程序或者函数名写错，那当中断来临的时，程序就会跳转到启动文件预先写好的空的中断服务程序中，并且在这个空函数中无限循环，即程序就死在这里。

NMI_Handler    PROC ;系统异常
               EXPORT        NMI_Handler    [WEAK]
               B .
               ENDP

;限于篇幅，中间代码省略
SysTick_Handler PROC
                EXPORT SysTick_Handler [WEAK]
                B .
               ENDP

Default_Handler PROC ;外部中断
                EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
                EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK]
                EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]

;限于篇幅，中间代码省略
LTDC_IRQHandler
LTDC_ER_IRQHandler
DMA2D_IRQHandle
                B .
                ENDP

PROC：定义子程序，ENDP结束

B：跳转到一个标号。这里跳转到一个'.'，即表示无限循环。

用户堆栈初始化

ALIGN

ALIGN：对指令或者数据存放的地址进行对齐，后面会跟一个立即数。缺省表示4字节对齐。

;用户栈和堆初始化
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
END

判断是否定义了__MICROLIB ，如果定义了则赋予标号__initial_sp（栈顶地址）、__heap_base（堆起始地址）、 __heap_limit（堆结束地址）全局属性，可供外部文件调用。如果没有定义（实际的情况就是我们没定义__MICROLIB）则使用默认的 C 库，然后初始化用户堆栈大小，这部分有 C 库函数__main 来完成，当初始化完堆栈之后，就调用 main函数去到 C 的世界。

系统启动流程

下面这段话引用自《CM3 权威指南 CnR2》 3.8—复位序列， CM4 的复位序列跟 CM3 一样。

在离开复位状态后，CM3做的第一件事就是读取下列两个32位整数的值：

1、从地址0x00000000处取出MSP的初始值。

2、从地址0x00000004 处取出 PC 的初始值——这个值是复位向量， LSB 必须是1。 然后从这个值所对应的地址处取指。

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。 在CM3 中，在 0 地址处提供 MSP 的初始值，然后紧跟着就是向量表。 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，就是我们刚刚分析的 Reset_Handler 这个函数。

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，如果我们的堆栈区域在 0x20007C00-0x20007FFF 之间，那么 MSP 的初始值就必须是0x20008000。

向量表跟随在 MSP 的初始值之后——也就是第 2 个表目。要注意因为 CM3 是在Thumb 态下执行，所以向量表中的每个数值都必须把 LSB 置 1（也就是奇数）。正是因为这个原因， 图 14-3 中使用 0x101 来表达地址 0x100。当 0x100 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） 。在此之前初始化 MSP 是必需的，因为可能第 1条指令还没来得及执行，就发生了 NMI 或是其它 fault。 MSP 初始化好后就已经为它们的服务例程准备好了堆栈。

现在，程序就进入了我们熟悉的 C 世界，现在我们也应该明白 main 并不是系统执行的第一个程序了。

PS: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），用以表明这是在Thumb状态下执行。倘若写了0，则视为企图转入ARM模式，CM3将产生一个fault异常。

DCD （DCDU） 用于分配一片连续的字存储单元并用指定的数据初始化。

参考引用：

1. 野火---《零死角玩转STM32-F429挑战者》
2. 《STM32F4xx中文参考手册》
3. 《Cortex-M4内核编程手册》