STM32启动过程

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-07-28 08:43 179阅读 0赞

当前的嵌入式应用程序开发过程里，C语言已成为了绝大部分场合的最佳选择。如此一来main 函数似乎成为了理所当然的起点——因为C程序往往从main函数开始执行。但一个经常会被忽略的问题是：微控制器（单片机）上电后，是如何寻找到并执行 main函数的呢？很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址，因为使用C语言作为开发语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。相信读者都可以回答这个问题，答案也许大同小异，但肯定都有个关键词，叫“启动文件”，用英文单词来描述是“Bootloader”。

无论性能高下，结构简繁，价格贵贱，每一种微控制器（处理器）都必须有启动文件，启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间（称为启动过程）所必须进行的工作。最为常见的51，AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预启动过程，只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。

话题转到STM32微控制器，无论是keil uvision4还是IAR EWARM开发环境，ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件，程序开发人员可以直接引用启动文件后直接进行C应用程序的开发。这样能大大减小开发人员从其它微控制器平台跳转至STM32平台，也降低了适应STM32微控制器的难度（对于上一代ARM的当家花旦ARM9，启动文件往往是第一道难啃却又无法逾越的坎）。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  
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。