解析STM32啟動過程

時間：2018-11-12 10:12:01

關(guān)鍵字： STM32 stm32啟動過程

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[導讀] ? ? ? 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0x0000

? ? ? 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。現(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語言表達則等價于：
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
? 第2行：定義?？臻g大小為0x00000400個字節(jié)，即1Kbyte。此語行亦等價于：
#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：標號__initial_sp，表示棧空間頂?shù)刂贰?br />? 第6行：定義堆空間大小為0x00000400個字節(jié)，也為1Kbyte。
? 第7行：偽指令A(yù)REA，表示
? 第8行：標號__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：將標號__Vectors聲明為全局標號，這樣外部文件就可以使用這個標號。
? 第84行：標號__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：定義全局標號__use_two_region_memory。
? 第213行：聲明全局標號__user_initial_stackheap，這樣外程序也可調(diào)用此標號。
? 第214行：標號__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，后跟屬性標號。其中比較重要的一個標號為“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語言定義了一個指針數(shù)組，其每一個成員都是一個函數(shù)指針，分別指向各個中斷服務(wù)函數(shù)。
3、標號：前文多處使用了“標號”一詞。標號主要用于表示一片內(nèi)存空間的某個位置，等價于C語言中的“地址”概念。地址僅僅表示存儲空間的一個位置，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標號表示C/C++標準實時庫函數(shù)里的一個初始化子程序__main的入口地址。該程序的一個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標號進行初始化堆棧的），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main函數(shù)作為程序的起點——因為這是由C/C++標準實時庫所規(guī)定的——并且不能更改，因為C/C++標準實時庫并不對外界開發(fā)源代碼。因此，實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行定義，并在代碼區(qū)的起始處建立中斷向量表，其第一個表項是棧頂?shù)刂罚诙€表項是復(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++標準實時庫的__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)，最后進入mian函數(shù)，來到C的世界。