STM32啓動過程--啓動文件--分析

1、概述

一、說明

　　每一款芯片的啓動文件都值得去研究，由於它但是你的程序跑的最初一段路，不能夠不知道。經過了解啓動文件，咱們能夠體會處處理器的架構、指令集、中斷向量安排等內容，是很是值得玩味的。

　　STM32做爲一款高端Cortex-M3系列單片機，有必要了解它的啓動文件。打好基礎，爲之後優化程序，寫出高質量的代碼最準備。

　　本文以一個實際測試代碼--START_TEST爲例進行闡述。

二、總體過程歸納

　　STM整個啓動過程是指從上電開始，一直到運行到main函數之間的這段過程，步驟爲（以使用微庫爲例）：

①上電後硬件設置SP、PC

②設置系統時鐘

③軟件設置SP

④加載.data、.bss，並初始化棧區

⑤跳轉到C文件的main函數

三、整個啓動過程涉及的代碼

　　啓動過程涉及的文件不只包含startup_stm32f10x_hd.s，還涉及到了MDK自帶的鏈接庫文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（從生成的map文件能夠看出來）。

2、程序在Flash上的存儲結構

　　在真正講解啓動過程以前，先要講解程序下載到Flash上的結構和程序運行時（執行到main函數）時的SRAM數據結構。程序在用戶Flash上的結構以下圖所示。下圖是經過閱讀hex文件和在MDK下調試綜合提煉出來的。

MSP初始值　　　　　　　　編譯器生成，主堆棧的初始值

異常向量表　　　　　　　　很少說

外部中斷向量表　　　　　　很少說

代碼段　　　　　　　　　　存放代碼

初始化數據段　　　　　　　.data

未初始化數據段　　　　　　.bss 

加載數據段和初始化棧的參數

　　加載數據段和初始化棧的參數分別有4個，這裏只講解加載數據段的參數，至於初始化棧的參數相似。

0x0800 033c　　Flash上的數據段（初始化數據段和未初始化數據段）起始地址

0x2000 0000　　加載到SRAM上的目的地址

0x0000 000c　　數據段的總大小

0x0800 02f4　　調用函數_scatterload_copy

　　須要說明的是初始化棧的函數--0x0800 0304與加載數據段的函數不同，爲_scatterload_zeroinit，它的目的就是將棧空間清零。

3、數據在SRAM上的結構

　　程序運行時（執行到main函數）時的SRAM數據結構

4、詳細過程分析

　　有了以上的基礎，如今詳細分析啓動過程。

一、上電後硬件設置SP、PC

　　剛上電覆位後，硬件會自動根據向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定義以下：

　　調試現象以下：

　　看看咱們的向量表內容（經過J-Flash打開hex文件）

　　硬件這時自動從0x0800 0000位置處讀取數據賦給棧指針SP，而後自動從0x0800 0004位置處讀取數據賦給PC，完成復位，結果爲：

SP = 0x0200 0810

PC = 0x0800 0145

 二、設置系統時鐘

　　上一步中令PC=0x0800 0145的地址沒有對齊，硬件自動對齊到0x0800 0144，執行SystemInit函數初始化系統時鐘。

三、軟件設置SP

　　LDR   R0,=__main
　　BX　　 R0

　　執行上兩條之類，跳轉到__main程序段運行，注意不是main函數，___main的地址是0x0800 0130。

　　能夠看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，結果SP=0x2000 0810。

四、加載.data、.bss，並初始化棧區

 BL.W     __scatterload_rt2 

　　進入 __scatterload_rt2代碼段。

__scatterload_rt2:
0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
0x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
0x0800016C E006      B        0x0800017C
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
0x08000178 4798      BLX      r3
0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#0x10
0x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

 　　這段代碼是個循環（BCC 0x0800016e），實際運行時候循環了兩次。第一次運行的時候，讀取「加載數據段的函數（_scatterload_copy）」的地址並跳轉到該函數處運行（注意加載已初始化數據段和未初始化數據段用的是同一個函數）；第二次運行的時候，讀取「初始化棧的函數（_scatterload_zeroinit）」的地址並跳轉到該函數處運行。 相應的代碼以下：

0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174  
0x08000178 4798      BLX      r3
　　
　　固然執行這兩個函數的時候，還須要傳入參數。至於參數，咱們在「加載數據段和初始化棧的參數」環節已經闡述過了。當這兩個函數都執行完後，結果就是「數據在SRAM上的結構」所展現的圖。最後，也把事實加載和初始化的兩個函數代碼奉上以下：

                 __scatterload_copy:
0x080002F4 E002      B        0x080002FC
0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
0x080002FC 2A00      CMP      r2,#0x00
0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
0x08000300 4770      BX       lr
                 __scatterload_null:
0x08000302 4770      BX       lr
                 __scatterload_zeroinit:
0x08000304 2000      MOVS     r0,#0x00
0x08000306 E001      B        0x0800030C
0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x0800030C 2A00      CMP      r2,#0x00
0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
0x08000310 4770      BX       lr

五、跳轉到C文件的main函數

                 _main_init:
0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
0x0800013A 4700      BX       r0

5、異常向量與中斷向量表 

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

                ; External Interrupts
                DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
                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 Line 0
                DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line 1
                DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line 2
                DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line 3
                DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line 4
                DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1
                DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2
                DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3
                DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4
                DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5
                DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6
                DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7
                DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
                DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX
                DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0
                DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
                DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
                DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line 9..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 Capture Compare
                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 Line 15..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 Capture Compare
                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

View Code

 　　這段代碼就是定義異常向量表，在以前有一個「J-Flash打開hex文件」的圖片跟這個表格是一一對應的。編譯器根據咱們定義的函數 Reset_Handler、NMI_Handler等，在鏈接程序階段將這個向量表填入這些函數的地址。

startup_stm32f10x_hd.s內容：

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP


stm32f10x_it.c中內容：
void NMI_Handler(void)
{
}

　　在啓動彙編文件中已經定義了函數NMI_Handler，可是使用了「弱」，它容許咱們再從新定義一個NMI_Handler函數，程序在編譯的時候會將彙編文件中的弱函數「覆蓋掉」--兩個函數的代碼在鏈接後都存在，只是在中斷向量表中的地址填入的是咱們從新定義函數的地址。 

6、使用微庫與不使用微庫的區別

 

　　使用微庫就意味着咱們不想使用MDK提供的庫函數，而想用本身定義的庫函數，好比說printf函數。那麼這一點是怎樣實現的呢？咱們以printf函數爲例進行說明。

一、不使用微庫而使用系統庫

　　在鏈接程序時，確定會把系統中包含printf函數的庫拿來調用參與鏈接，即代碼段有系統庫的參與。

　　在啓動過程當中，不使用微庫而使用系統庫在初始化棧的時候，還須要初始化堆（猜想系統庫須要用到堆），而使用微庫則是不須要的。

                 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，在執行__main函數的過程當中，不只須要完成「使用微庫」狀況下的全部工做，額外的工做還須要進行庫的初始化，才能使用系統庫（這一部分我尚未深刻探討）。附上__main函數的內容：

                  __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  ; @0x08000164
0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
0x0800013E 4482      ADD      r10,r10,r0
0x08000140 4483      ADD      r11,r11,r0
0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
                 __scatterload_null:
0x08000146 45DA      CMP      r10,r11
0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07  ; @0x08000147
0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}
0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x01
0x0800015A BF18      IT       NE
0x0800015C 1AFB      SUBNE    r3,r7,r3
0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
0x08000162 4718      BX       r3
0x08000164 0298      LSLS     r0,r3,#10
0x08000166 0000      MOVS     r0,r0
0x08000168 02B8      LSLS     r0,r7,#10
0x0800016A 0000      MOVS     r0,r0
                 __scatterload_copy:
0x0800016C 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
0x0800016E BF24      ITT      CS
0x08000170 C878      LDMCS    r0!,{r3-r6}
0x08000172 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
0x08000174 D8FA      BHI      __scatterload_copy (0x0800016C)
0x08000176 0752      LSLS     r2,r2,#29
0x08000178 BF24      ITT      CS
0x0800017A C830      LDMCS    r0!,{r4-r5}
0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
0x0800017E BF44      ITT      MI
0x08000180 6804      LDRMI    r4,[r0,#0x00]
0x08000182 600C      STRMI    r4,[r1,#0x00]
0x08000184 4770      BX       lr
0x08000186 0000      MOVS     r0,r0
                 __scatterload_zeroinit:
0x08000188 2300      MOVS     r3,#0x00
0x0800018A 2400      MOVS     r4,#0x00
0x0800018C 2500      MOVS     r5,#0x00
0x0800018E 2600      MOVS     r6,#0x00
0x08000190 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
0x08000192 BF28      IT       CS
0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
0x08000196 D8FB      BHI      0x08000190
0x08000198 0752      LSLS     r2,r2,#29
0x0800019A BF28      IT       CS
0x0800019C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
0x0800019E BF48      IT       MI
0x080001A0 600B      STRMI    r3,[r1,#0x00]
0x080001A2 4770      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)
0x080001B4 4611      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)

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二、使用微庫而不使用系統庫

　　在程序鏈接時，不會把包含printf函數的庫鏈接到終極目標文件中，而使用咱們定義的庫。

　　啓動時須要完成的工做就是以前論述的步驟一、二、三、四、5，相比使用系統庫，啓動過程步驟更少。

 

附測試代碼：START_TEST.zip