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STMCU小助手
发布时间：2021-12-7 11:00
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前言 因为在做有关STM32F407ZET6的项目，其中一项内容是通过IAP来对STM32进行在线升级，那么首先需要对STM32的启动流程需要做到详细了解。 硬件及调试配置说明： 使用芯片：STM32F407ZET6 调试软件：IAR6.3.0 软件库：STM32的HAL库，版本V1.3.0 启动文件：startup_stm32f407xx.s，版本V1.2.1 必须说明： 因为本人使用的IAR开发平台，因此程序中的指令都是IAR指令集（关于IAR指令，参见《EWARM_AssemblerReference.ENU.pdf》文档），因此会发现很多汇编指令会和在别的地方看到的不一样，但是基本指令的功能基本类似，比如IAR中的SECTION指令和标准ARM指令集中的AREA指令。而且，同类型的文件在扩展名上也可能不同，比如对于“分散加载文件”，IAR扩展名为.icf，但是keil扩展名是.scf，而且编辑命令也不同。 （一）启动文件 我们需要了解：一般的，工程文件件中会包含很多的C文件以及必要的S文件（汇编文件）。用户在使用IDE（集成开发平台）对工程进行一键式处理时，经预处理->编译->汇编->链接后生成可执行文件。其中，每一个S或C文件在经过汇编器“汇编”后都会生成对应的目标文件（.o或.obj或类似格式文件），然后由链接器对各个目标文件进行链接，决定各个目标文件在最终可执行文件（bin或hex或类似格式文件）里的位置。 我们只需要知道：startup_stm32f407xx.s文件成成的目标文件在最终可执行文件中是第一个被执行的！ （我想：不同的源文件（C或S）之间是通过函数调用或参数引用而相互关联起来的。即使是main函数，也是被startup_stm32f407xx.s中汇编代码所调用的，而且此段汇编代码前不再存在其他代码，因此汇编程序应该在最前面执行；同时，通过在线调试，可以看到可执行文件的反汇编文件，其中startup_stm32f407xx.s程序确实是在最前面） STM32F4和STM32F1的启动文件略不相同，但是基本内容是一样的。启动文件的工作按顺序依次分为以下几项： - Set the initial SP - Set the initial PC == _iar_program_start, - Set the vector table entries with the exceptions ISR address. - Branches to main in the C library (which eventually calls main()). （1）设置堆栈 （2）初始化PC指针 （3）设置向量表 （4）跳转到main函数 下面进行分段是分析： 第一段说明：
【1】MODULE 控制指令是用来标记 modules 源码的开始和结束，后边的 ?cstartup 是模块的名字，此文档的最后的 END 表明模块的结束 【2】SECTION 指令是声明段，一个段不能同时包含 public symbol 和 pubweak symbol ，模块只有在相同的名字的模块没有被链接进来的时候才会被链接进来。 语法格式：SECTION section:type [flag] [(align)] align，是用于指定地址对齐到 2^align，他的取值是 0 到 30 flag，取值NOROOT、ROOT、REORDER、NOREORDER，默认是ROOT，NOROOT表示如果这个段中的符号没有被引用，将会被连接器舍弃，即可被优化。ROOT表示不可被优化。REORDER表示开始一个新的名字是 section 的段（section），NOREORDER表示开始一个新的名字为 section 的片段（fragment），多个片段组成一个段（section） type，memory 的类型，取值是 CODE、CONST、DATA section，段的名字 【3】EXTERN 用导入（引用）其他模块的 symbol（符号） 【4】PUBLIC 导出 symbol（符号） 第二段：
【1】DATA 表示下边中的标签是 32 位的标签，THUMB 表示下边的标签是 16 位的标签，所谓的标签是 地址的别名，不占用代码空间，给编译器看的 【2】 DCD 是数据定义或者 重定位指令，为的是定义一个值，或者保留 memory，DCD 别名是 DC32，用于声明一个 32 位的常量，这部分是中断向量表的内容，需要注意的是，他们的顺序不能改变，此部分会放到 flash 的最开始部分，当系统启动的时候会加载前另个地址，第一个地址是 c 程序的栈的栈顶地址，第二个地址是向量表的开始地址，中断发生时会根据向量表的首地址和偏移量来找到程序的入口 【3】sfe 指令作用是返回栈的结尾，因为栈的增长方向是反方向的 第三段：中断处理函数
【1】THUMB 表明下边是 thumb 指令 【2】Reset_Handler：复位操作后，mcu执行的中断处理函数 R0 = SystemInit BLX R0 跳转到 SystemInit 函数（stm32的第一个函数），并将处理器切换到 thumb 态 R0 = __iar_program_start BX R0 跳转到 __iar_program_start 函数，状态也是切换到 thumb 状态 注意：此处BLX 和BX 的用法与区别不过多介绍； 【3】SystemInit函数（大同小异），功能：完成芯片正常运行所需的必备功能项的配置
【3.1】FPU浮点数运算设置，stm32f4系列支持浮点数运算； 【3.2】配置复位和时钟相关的寄存器：RCC结构体变量包含所有的寄存器成员； 【3.3】外部SRAM配置（一般没有使用外部SRAM）； 【3.4】Vector向量表重定位（非常重要）:配置中断向量表的基地址和偏移量 （1）当在RAM中调试代码时，需要将向量的基地址修改为RAM1的起始地址；这种情况不用这种模式； （2）一般我们配置的是NAND FLASH启动模式，应该将向量的基地址修改为FLASH的起始地址； （3）地址偏移量：当我们的工程文件是stm32上电第一个程序时，应设置VECT_TAB_OFFSET=0；如果在此工程文件前，还有另外的执行程序PRO（比如用于IAP在线升级的bootloader程序），那么需要根据PRO程序的大小来设置VECT_TAB_OFFSET的大小，同时需要注意VECT_TAB_OFFSET的值必须是0x200的2*n（n=1,2,3...）倍数；（此段内容后续 会详细介绍） 【4】此处的 __iar_program_start 在程序中找不到是因为它已经被封装到了 IAR 自带的C库启动代码中了，当我们编译的时候，在项目属性的 linker，library中勾选了 Automatic runtime library ，就告诉了编译器用库中的 __iar_program_start ，具体实现了什么，我们可以查看 IAR 工具为我们提供的源码，具体路径在 IAR 安装目录下的 arm\src\lib\thumb ，我们可以看到有的文件分别的提供了 汇编代码和 c 代码。 查看cstartup_M.c，里面定义了__iar_program_start函数
其中： 【4.1】此段的程序中前两个函数是弱函数，在工程共没有定义 【4.2】__cmain 函数作用是初始化段和底层硬件，最后调用main 至此，库文件中的启动文件先分析到这里 （二）启动流程总结： （1）一般我们配置STM32从flash启动，启动流程如下： 【1.1】MCU上电后从0x0800 0000处读取栈顶地址并保存——>MCU从0x0800 0004处读取中断向量表的起始地址——>根据MCU系统设定的中断偏移量来计算出复位中断向量（起始地址+0），其内容=Reset_Handler，即复位中断处理程序入口地址——>跳转到复位中断处理程序入口处（通过设置PC指针，MCU自动完成，我们不需要管）； 【1.2】复位中断函数： R0 = SystemInit BLX R0 跳转到 SystemInit 函数（stm32的第一个函数），并将处理器切换到 thumb 态 R0 = __iar_program_start BX R0 跳转到 __iar_program_start 函数，状态也是切换到 thumb 状态 最后的跳转函数时main函数，即进入用户程序 【1.3】main循环： 需要注意：用户main程序一般内部是一个while(1)死循环（否则，main函数执行完成后，MCU会跳进Hard Fault硬件错误处） 当发生xx中断时：MCU保存现场——>MCU从0x0800 0004处读取中断向量表的起始地址——>根据中断偏移量来计算出xx中断向量，然后取出xx中断处理程序入口地址 【1.4】MCU跳转到xx中断处理程序入口地址处，开始执行中断处理函数。 【1.5】xx中断处理程序完成后，MCU恢复现场，继续执行。 
（2）STM32的启动模式简述： 上面讲解的是STM32从flash启动（用户APP程序是从0x08000000开始），实际上STM32支持多种启动模式，这里进行简单介绍： 【2.1】STM32的启动模式由芯片的启动引脚BOOT0和BOOT1决定：MCU在上电时会读取BOOT0和BOOT1引脚的电平状态并锁存，系统根据电平状态来从选择启动方式（注意：这里说的启动是指正常的上电，当我们采用jlink/jtag进行程序烧写或调试时，MCU会会忽略引脚状态）。下面是官方使用指南的说明： 
【2.2】STM32三种启动模式对应的物理存储介质均是芯片内置的，它们是： a. 主闪存存储器 = 芯片内置的Flash。 b. 系统存储器 = 芯片内部一块特定的区域，芯片出厂时在这个区域预置了一段Bootloader，就是通常说的ISP程序。这个区域的内容在芯片出厂后用户无法进行读写操作。 c. SRAM = 芯片内置的RAM区，具有掉电丢失性。 补充解释：我们知道MCU上电是从0x0000 0000开始执行代码，但是我们发现STM32三种启动模式对应的物理存储介质均不在0x0000 0000处（也不可能同时在），而且地址不连续。这就是，“根据启动引脚，映射到Flash、系统存储区或SRAM”这句话的奇妙，可以理解成一下2点： A 根据不同的启动模式， 对应到各种启动模式的不同物理存储介质将被映像到第0块(启动存储区)； B 即使被映像到启动存储区，仍然可以在它原先的存储器空间内访问相关的存储器。（未验证，值得去探究！！） A 就是：逻辑上讲MCU上电是从0x0000 0000开始执行代码，但是实际上PC指针是从实际对应的物理存储介质处开始执行。 比如我们从flash启动，通过IAR或KEIL在线调试，会发现MCU运行时的PC指针是从0x0800 0000开始的。 B就是：因为经过系统映射，那么对映射区的读写 = 对实际物理介质区的读写 比如：在00/01启动模式下，仍可读写执行0x08xxxxxx中的数据和代码， 并和读写执行0x00xxxxxx是一回事；在11启动模式下，仍可读写执行0x20xxxxxx 并和读写执行0x00xxxxxx是一回事 
【2.3】三种启动方式对比： a. 主闪存存储器：最常用的方式，程序掉电不丢失，因此当我们确定工程完全达到使用要求后，一般是将文件烧写到flash中。 b. 系统存储器启动：这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，这种启动方式用的比较少。一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口（或是其他类似方式）下载程序，因为在厂家提供的BootLoader中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。但是这个下载方式需要以下步骤： Step1: 将BOOT0设置为1，BOOT1设置为0，然后按下复位键，这样才能从系统存储器启动BootLoader Step2: 最后在BootLoader的帮助下，通过串口下载程序到Flash中 Step3: 程序下载完成后，又有需要将BOOT0设置为GND，手动复位，这样，STM32才可以从Flash中启动 可以看到，利用这种模式下载程序的流程稍显繁琐，但是可以通过普通串口代替专用烧写接口，不需要使用专用烧写工具。 c. 内置SRAM：因为SRAM掉电数据丢失，因此这个模式一般用于程序调试，而且SRAM的可擦除次数要远高于flash比如：当代码仅修改了局部内容，可以考虑从这个模式启动代码（也就是STM32的内存中），用于快速的程序调试，等程序调试完成后，再将程序下载到Flash中。（还有，一般的，程序在RAM执行速度要比flash快一些） （3）工程源文件与可执行文件的联系之“分散加载文件” 我们在使用ARM集成开发工具对工程进行开发时，基本流程如下： 
源文件经预处理->编译->汇编->链接生成目标文件，生产目标文件之前，我们基本上都可以不用深入研究；目标文件经过连接器连接，生成可执行文件。这里我们需要关注一个问题：不同的目标文件是按照什么规则连接在一起的呢？ 所依靠的文件即是：分散加载脚本， 【3.1】简单介绍：对于分散加载的概念，在《ARM体系结构与编程》书中第１１章有明确介绍。 分散加载文件（即scatter file，IAR工程中其后缀为.scf）是一个文本文件，通过编写一个分散加载文件来指定ARM连接器在生成映像文件时如何分配RO,RW,ZI等数据的存放地址。如果不用SCATTER文件指定，那么ARM连接器会按照默认的方式来生成映像文件，一般情况下我们是不需要使用分散加载文件的。 什么时候使用scatter file： 1、存在复杂的地址映射：例如代码和数据需要分开存放在多个区域。 2、存在多个存储器类型：包含Flash, ROM, SDRAM,快速SRAM。我们根据代码与数据的特性把他们发在不同的存储器中，比如中断处理部分放在快速SRAM内部来提高响应速度，而把不常用到的代 码放到速度比较慢的Flash内。 3、函数的地址固定定位：可以利用Scatter file实现把某个函数放在固定地址，而不管其应用程序是否已经改变或重新编译。 4、利用符号确定堆和堆栈。 5、内存映射的IO：利用scatter file可以实现把某个数据段放在精确的地址处。因此对于嵌入式系统来说scatter file是必不可少的，因为嵌入式系统采用了ROM， RAM和内存映射的IO。 【3.2】IAR中的stm32F407的.scf文件的一般格式如下：
后续关于分散加载文件会有更加详细的说明； （三） 由于自身能力有限，本文章存在相关表述问题，希望大家能够批评指正，相互交流，共同进步！ QQ联系方式：1030843709（泊叶） |
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