stm32 啟動過程

時間：2018-08-28 11:40:01

關鍵字： STM32 啟動過程

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[導讀]當前的嵌入式應用程序開發(fā)過程里，并且C語言成為了絕大部分場合的最佳選擇。如此一來main函數(shù)似乎成為了理所當然的起點——因為C程序往往從main函數(shù)開始執(zhí)行。但一個經(jīng)常會被忽略的問題是：微控制器（單片機）上電后

當前的嵌入式應用程序開發(fā)過程里，并且C語言成為了絕大部分場合的最佳選擇。如此一來main函數(shù)似乎成為了理所當然的起點——因為C程序往往從main函數(shù)開始執(zhí)行。但一個經(jīng)常會被忽略的問題是：微控制器（單片機）上電后，是如何尋找到并執(zhí)行main函數(shù)的呢？很顯然微控制器無法從硬件上定位main函數(shù)的入口地址，因為使用C語言作為開發(fā)語言后，變量/函數(shù)的地址便由編譯器在編譯時自行分配，這樣一來main函數(shù)的入口地址在微控制器的內(nèi)部存儲空間中不再是絕對不變的。相信讀者都可以回答這個問題，答案也許大同小異，但肯定都有個關鍵詞，叫“啟動文件”，用英文單詞來描述是“Bootloader”。

無論性能高下，結構簡繁，價格貴賤，每一種微控制器（處理器）都必須有啟動文件，啟動文件的作用便是負責執(zhí)行微控制器從“復位”到“開始執(zhí)行main函數(shù)”中間這段時間（稱為啟動過程）所必須進行的工作。最為常見的51，AVR或MSP430等微控制器當然也有對應啟動文件，但開發(fā)環(huán)境往往自動完整地提供了這個啟動文件，不需要開發(fā)人員再行干預啟動過程，只需要從main函數(shù)開始進行應用程序的設計即可。

話題轉到STM32微控制器，無論是keil
uvision4還是IAR EWARM開發(fā)環(huán)境，ST公司都提供了現(xiàn)成的直接可用的啟動文件，程序開發(fā)人員可以直接引用啟動文件后直接進行C應用程序的開發(fā)。這樣能大大減小開發(fā)人員從其它微控制器平臺跳轉至STM32平臺，也降低了適應STM32微控制器的難度（對于上一代ARM的當家花旦ARM9，啟動文件往往是第一道難啃卻又無法逾越的坎）。

相對于ARM上一代的主流ARM7/ARM9內(nèi)核架構，新一代Cortex內(nèi)核架構的啟動方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內(nèi)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(zhí)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(qū)，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(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位中斷入口向量地址，這樣在Cortex-M3內(nèi)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(zhí)行復位中斷服務程序。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AREA，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AREA，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：復位中斷服務程序，PROC…ENDP結構表示程序的開始和結束。
? 第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(diào)用此復位中斷服務。
? 第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”。
? 第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。
? 第202行：聲明__main標號。
? 第203—204行：跳轉__main地址執(zhí)行。
? 第207行：IF…ELSE…ENDIF結構，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，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__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(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?，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(shù)，完成用戶堆棧等的初始化后，跳轉.c文件中的main函數(shù)開始執(zhí)行C程序。假設STM32被設置為從內(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(zhí)行復位中斷服務程序，然后跳轉__main函數(shù)，最后進入mian函數(shù)，來到C的世界。