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解析STM32啟動過程

[復制鏈接]
ID:398655 發表于 2018-9-16 15:14 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
相對于ARM上一代的主流ARM7/ARM9內核架構,新一代Cortex內核架構的啟動方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內核的控制器在復位后,CPU會從存儲空間的絕對地址0x000000取出第一條指令執行復位中斷服務程序的方式啟動,即固定了復位后的起始地址為0x000000PC = 0x000000)同時中斷向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3內核則正好相反,有3種情況:
1 通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于SRAM區,即起始地址為0x2000000,同時復位后PC指針位于0x2000000處;
2、 通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于FLASH區,即起始地址為0x8000000,同時復位后PC指針位于0x8000000處;
3、 通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于內置Bootloader區,本文不對這種情況做論述;
Cortex-M3內核規定,起始地址必須存放堆頂指針,而第二個地址則必須存放復位中斷入口向量地址,這樣在Cortex-M3內核復位后,會自動從起始地址的下一個32位空間取出復位中斷入口向量,跳轉執行復位中斷服務程序。對比ARM7/ARM9內核,Cortex-M3內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STM322.02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,F在從第一行開始分析:
l 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
l 2行:定義棧空間大小為0x00000400個字節,即1Kbyte。此語行亦等價于:
#define Stack_Size 0x00000400
l 3行:偽指令AREA,表示
l 4行:開辟一段大小為Stack_Size的內存空間作為棧。
l 5行:標號__initial_sp,表示?臻g頂地址。
l 6行:定義堆空間大小為0x00000400個字節,也為1Kbyte。
l 7行:偽指令AREA,表示
l 8行:標號__heap_base,表示堆空間起始地址。
l 9行:開辟一段大小為Heap_Size的內存空間作為堆。
l 10行:標號__heap_limit,表示堆空間結束地址。
l 11行:告訴編譯器使用THUMB指令集。
l 12行:告訴編譯器以8字節對齊。
l 13—81行:IMPORT指令,指示后續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。
l 82行:定義只讀數據段,實際上是在CODE區(假設STM32FLASH啟動,則此中斷向量表起始地址即為0x8000000
l 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。
l 84行:標號__Vectors,表示中斷向量表入口地址。
l 85—160行:建立中斷向量表。
l 161行:
l 162行:復位中斷服務程序,PROC…ENDP結構表示程序的開始和結束。
l 163行:聲明復位中斷向量Reset_Handler為全局屬性,這樣外部文件就可以調用此復位中斷服務。
l 164行:IF…ENDIF為預編譯結構,判斷是否使用外部SRAM,在第1行中已定義為不使用。
l 165—201行:此部分代碼的作用是設置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。
l 202行:聲明__main標號。
l 203—204行:跳轉__main地址執行。
l 207行:IF…ELSE…ENDIF結構,判斷是否使用DEF:__MICROLIB(此處為不使用)。
l 208—210行:若使用DEF:__MICROLIB,則將__initial_sp,__heap_base,__heap_limit亦即棧頂地址,堆始末地址賦予全局屬性,使外部程序可以使用。
l 212行:定義全局標號__use_two_region_memory。
l 213行:聲明全局標號__user_initial_stackheap,這樣外程序也可調用此標號。
l 214行:標號__user_initial_stackheap,表示用戶堆棧初始化程序入口。
l 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。
l 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據段,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,聯系到STM32的內部存儲介質,可知具有只讀屬性的段保存于FLASH區,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,即0x2000000地址后。由此可以從第37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,而這也是整片啟動代碼中最先被放進FLASH區的數據。因此可以得到一條重要的信息:0x8000000地址存放的是棧頂地址__initial_sp,0x8000004地址存放的是復位中斷向量Reset_HandlerSTM32使用32位總線,因此存儲空間為4字節對齊)。
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組,其每一個成員都是一個函數指針,分別指向各個中斷服務函數。
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,數組的地址或是函數的入口地址在本質上并無區別。
4、 202行中的__main標號并不表示C程序中的main函數入口地址,因此第204行也并不是跳轉至main函數開始執行C程序。__main標號表示C/C++標準實時庫函數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__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C程序中的main函數。這就解釋了為何所有的C程序必須有一個main函數作為程序的起點——因為這是由C/C++標準實時庫所規定的——并且不能更改,因為C/C++標準實時庫并不對外界開發源代碼。因此,實際上在用戶可見的前提下,程序在第204行后就跳轉至.c文件中的main函數,開始執行C程序了。
至此可以總結一下STM32的啟動文件和啟動過程。首先對棧和堆的大小進行定義,并在代碼區的起始處建立中斷向量表,其第一個表項是棧頂地址,第二個表項是復位中斷服務入口地址。然后在復位中斷服務程序中跳轉¬¬C/C++標準實時庫的__main函數,完成用戶堆棧等的初始化后,跳轉.c文件中的main函數開始執行C程序。假設STM32被設置為從內部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,則棧頂地址存放于0x8000000處,而復位中斷服務入口地址存放于0x8000004處。當STM32遇到復位信號后,則從0x80000004處取出復位中斷服務入口地址,繼而執行復位中斷服務程序,然后跳轉__main函數,最后進入mian函數,來到C的世界。

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