深入了解STM32启动机制,优化程序更得心应手!
单片机与嵌入式 2024-05-29

1 概述

说明

每一款芯片的启动文件都值得去研究,因为它可是你的程序跑的最初一段路,不可以不知道。通过了解启动文件,我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容,是非常值得玩味的。

STM32作为一款高端 Cortex-M3系列单片机,有必要了解它的启动文件。打好基础,为以后优化程序,写出高质量的代码最准备。

本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。

整体过程

STM32整个启动过程是指从上电开始,一直到运行到 main函数之间的这段过程,步骤为(以使用微库为例):

①上电后硬件设置SP、PC

②设置系统时钟

③软件设置SP

④加载.data、.bss,并初始化栈区

⑤跳转到C文件的main函数

代码

启动过程涉及的文件不仅包含 startup_stm32f10x_hd.s,还涉及到了MDK自带的连接库文件 entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等(从生成的 map文件可以看出来)。

2 程序在Flash上的存储结构

在真正讲解启动过程之前,先要讲解程序下载到 Flash上的结构和程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。

上图中:

  • MSP初始值由编译器生成,是主堆栈的初始值。

  • 初始化数据段是.data

  • 未初始化数据段是.bss

.data和.bss是在__main里进行初始化的对于ARM Compiler,__main主要执行以下函数

其中__scatterload会对.data和.bss进行初始化。

加载数据段和初始化栈的参数

加载数据段和初始化栈的参数分别有4个,这里只讲解加载数据段的参数,至于初始化栈的参数类似。

    0x0800033c  Flash上的数据段(初始化数据段和未初始化数据段)起始地址0x20000000  加载到SRAM上的目的地址0x0000000c  数据段的总大小0x080002f4  调用函数_scatterload_copy

需要说明的是初始化栈的函数-- 0x08000304与加载数据段的函数不一样,为 _scatterload_zeroinit,它的目的就是将栈空间清零。

3 数据在SRAM上的结构

程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构

4 详细过程分析

有了以上的基础,现在详细分析启动过程。

上电后硬件设置SP、PC

刚上电复位后,硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表,向量表偏移地址的定义如下:

调试现象如下:

看看我们的向量表内容(通过J-Flash打开hex文件)

硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP,然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC,完成复位,结果为:

    SP = 0x02000810PC = 0x08000145

设置系统时钟

上一步中令 PC=0x08000145的地址没有对齐,硬件自动对齐到 0x08000144,执行 SystemInit函数初始化系统时钟。

软件设置SP

    LDR R0,=__main  BX   R0

执行上两条之类,跳转到 __main程序段运行,注意不是main函数, ___main的地址是0x0800 0130。

可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12],结果SP=0x2000 0810。

加载.data、.bss,并初始化栈区

    BL.W __scatterload_rt2 

进入 __scatterload_rt2代码段。

    __scatterload_rt2:0x080001684C06 LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x080001840x0800016A4D07 LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x080001880x0800016C E006      B        0x0800017C0x0800016E68E0 LDR      r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x010x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}0x080001784798 BLX      r30x0800017A3410 ADDS     r4,r4,#0x100x0800017C42AC CMP      r4,r50x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

这段代码是个循环 (BCC0x0800016e),实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候,读取“加载数据段的函数 (_scatterload_copy)”的地址并跳转到该函数处运行(注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数);第二次运行的时候,读取“初始化栈的函数 (_scatterload_zeroinit)”的地址并跳转到该函数处运行。相应的代码如下:

    0x0800016E68E0 LDR      r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x010x080001740x080001784798 BLX      r3

当然执行这两个函数的时候,还需要传入参数。至于参数,我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后,结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后,也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下:

     __scatterload_copy:0x080002F4 E002      B        0x080002FC0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}0x080002F81F12 SUBS     r2,r2,#40x080002FA C108      STM      r1!,{r3}0x080002FC2A00 CMP      r2,#0x000x080002FE D1FA      BNE      0x080002F60x080003004770 BX       lr __scatterload_null:0x080003024770 BX       lr __scatterload_zeroinit:0x080003042000 MOVS     r0,#0x000x08000306 E001      B        0x0800030C0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}0x0800030A1F12 SUBS     r2,r2,#40x0800030C2A00 CMP      r2,#0x000x0800030E D1FB      BNE      0x080003080x080003104770 BX       lr

跳转到C文件的main函数

     _main_init:0x080001384800 LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C0x0800013A4700 BX       r0

5 异常向量与中断向量表

    ; VectorTableMapped to Address0 at Reset AREA RESET, DATA, READONLY EXPORT __Vectors EXPORT __Vectors_End EXPORT __Vectors_Size  __Vectors DCD     __initial_sp               ; Top of Stack DCD Reset_Handler; ResetHandler DCD NMI_Handler                ; NMI Handler DCD HardFault_Handler; HardFaultHandler DCD MemManage_Handler; MPU FaultHandler DCD BusFault_Handler; BusFaultHandler DCD UsageFault_Handler; UsageFaultHandler DCD 0; Reserved DCD 0; Reserved DCD 0; Reserved DCD 0; Reserved DCD SVC_Handler                ; SVCallHandler DCD DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler DCD 0; Reserved DCD PendSV_Handler; PendSVHandler DCD SysTick_Handler; SysTickHandler  ; ExternalInterrupts DCD WWDG_IRQHandler            ; WindowWatchdog DCD PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect DCD TAMPER_IRQHandler          ; Tamper DCD RTC_IRQHandler             ; RTC DCD FLASH_IRQHandler           ; Flash DCD RCC_IRQHandler             ; RCC DCD EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line0 DCD EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line1 DCD EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line2 DCD EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line3 DCD EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line4 DCD DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel1 DCD DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel2 DCD DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel3 DCD DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel4 DCD DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel5 DCD DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel6 DCD DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel7 DCD ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2 DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB HighPriority or CAN1 TX DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0 DCD CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1 DCD CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE DCD EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line9..5 DCD TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break DCD TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation DCD TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 CaptureCompare DCD TIM2_IRQHandler            ; TIM2 DCD TIM3_IRQHandler            ; TIM3 DCD TIM4_IRQHandler            ; TIM4 DCD I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event DCD I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error DCD I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event DCD I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error DCD SPI1_IRQHandler            ; SPI1 DCD SPI2_IRQHandler            ; SPI2 DCD USART1_IRQHandler          ; USART1 DCD USART2_IRQHandler          ; USART2 DCD USART3_IRQHandler          ; USART3 DCD EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line15..10 DCD RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line DCD USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend DCD TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break DCD TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation DCD TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 CaptureCompare DCD ADC3_IRQHandler            ; ADC3 DCD FSMC_IRQHandler            ; FSMC DCD SDIO_IRQHandler            ; SDIO DCD TIM5_IRQHandler            ; TIM5 DCD SPI3_IRQHandler            ; SPI3 DCD UART4_IRQHandler           ; UART4 DCD UART5_IRQHandler           ; UART5 DCD TIM6_IRQHandler            ; TIM6 DCD TIM7_IRQHandler            ; TIM7 DCD DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1 DCD DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2 DCD DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3 DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5__Vectors_End

这段代码就是定义异常向量表,在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数 Reset_Handler、NMI_Handler等,在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。

    startup_stm32f10x_hd.s内容:  NMI_Handler PROC EXPORT NMI_Handler [WEAK] B . ENDP    stm32f10x_it.c中内容:void NMI_Handler(void){}

在启动汇编文件中已经定义了函数 NMI_Handler,但是使用了“弱”,它允许我们再重新定义一个 NMI_Handler函数,程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在,只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。

6 使用微库与不使用微库的区别

使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数,而想用自己定义的库函数,比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢?我们以printf函数为例进行说明。

不使用微库而使用系统库

在连接程序时,肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接,即代码段有系统库的参与。

在启动过程中,不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候,还需要初始化堆(猜测系统库需要用到堆),而使用微库则是不需要的。

     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

另外,在执行 __main函数的过程中,不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作,额外的工作还需要进行库的初始化,才能使用系统库(这一部分我还没有深入探讨)。附上 __main函数的内容:

     __main:0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0) __scatterload_rt2_thumb_only:0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4; @0x080001640x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}0x0800013E4482 ADD      r10,r10,r00x080001404483 ADD      r11,r11,r00x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01 __scatterload_null:0x0800014645DA CMP      r10,r110x08000148 D101      BNE      0x0800014E0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07; @0x080001470x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x010x0800015A BF18      IT       NE0x0800015C1AFB SUBNE    r3,r7,r30x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x010x080001624718 BX       r30x080001640298 LSLS     r0,r3,#100x080001660000 MOVS     r0,r00x0800016802B8 LSLS     r0,r7,#100x0800016A0000 MOVS     r0,r0 __scatterload_copy:0x0800016C3A10 SUBS     r2,r2,#0x100x0800016E BF24      ITT      CS0x08000170 C878      LDMCS    r0!,{r3-r6}0x08000172 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}0x08000174 D8FA      BHI      __scatterload_copy (0x0800016C)0x080001760752 LSLS     r2,r2,#290x08000178 BF24      ITT      CS0x0800017A C830      LDMCS    r0!,{r4-r5}0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}0x0800017E BF44      ITT      MI0x080001806804 LDRMI    r4,[r0,#0x00]0x08000182600C STRMI    r4,[r1,#0x00]0x080001844770 BX       lr0x080001860000 MOVS     r0,r0 __scatterload_zeroinit:0x080001882300 MOVS     r3,#0x000x0800018A2400 MOVS     r4,#0x000x0800018C2500 MOVS     r5,#0x000x0800018E2600 MOVS     r6,#0x000x080001903A10 SUBS     r2,r2,#0x100x08000192 BF28      IT       CS0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}0x08000196 D8FB      BHI      0x080001900x080001980752 LSLS     r2,r2,#290x0800019A BF28      IT       CS0x0800019C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}0x0800019E BF48      IT       MI0x080001A0600B STRMI    r3,[r1,#0x00]0x080001A24770 BX       lr __rt_lib_init:0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}0x080001A6 F3AF8000  NOP.W __rt_lib_init_user_alloc_1:0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc} __rt_lib_shutdown:0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr} __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:0x080001AE BD10      POP      {r4,pc} __rt_entry_sh:0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)0x080001B44611 MOV      r1,r2 __rt_entry_postsh_1:0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4) __rt_entry_postli_1:0x080001BA F000F919  BL.W     main (0x080003F0)

使用微库而不使用系统库

在程序连接时,不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中,而使用我们定义的库。

启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5,相比使用系统库,启动过程步骤更少。


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