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【经验分享】STM32启动过程--启动文件--分析

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-13 21:00
一、概述
1、说明
  每一款芯片的启动文件都值得去研究,因为它可是你的程序跑的最初一段路,不可以不知道。通过了解启动文件,我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容,是非常值得玩味的。
  STM32作为一款高端Cortex-M3系列单片机,有必要了解它的启动文件。打好基础,为以后优化程序,写出高质量的代码最准备。
  本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。
2、整体过程概括
  STM整个启动过程是指从上电开始,一直到运行到main函数之间的这段过程,步骤为(以使用微库为例):
①上电后硬件设置SP、PC
②设置系统时钟
③软件设置SP
④加载.data、.bss,并初始化栈区
⑤跳转到C文件的main函数
3、整个启动过程涉及的代码
  启动过程涉及的文件不仅包含startup_stm32f10x_hd.s,还涉及到了MDK自带的连接库文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等(从生成的map文件可以看出来)。
二、程序在Flash上的存储结构
  在真正讲解启动过程之前,先要讲解程序下载到Flash上的结构和程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。

092018031206060.png

MSP初始值        编译器生成,主堆栈的初始值
异常向量表        不多说
外部中断向量表      不多说
代码段          存放代码
初始化数据段       .data
未初始化数据段      .bss
加载数据段和初始化栈的参数
  加载数据段和初始化栈的参数分别有4个,这里只讲解加载数据段的参数,至于初始化栈的参数类似。
0x0800 033c  Flash上的数据段(初始化数据段和未初始化数据段)起始地址
0x2000 0000  加载到SRAM上的目的地址
0x0000 000c  数据段的总大小
0x0800 02f4  调用函数_scatterload_copy
  需要说明的是初始化栈的函数--0x0800 0304与加载数据段的函数不一样,为_scatterload_zeroinit,它的目的就是将栈空间清零。

092032461983346.png

三、数据在SRAM上的结构
  程序运行时(执行到main函数)时的SRAM数据结构

092025271358977.png

四、详细过程分析
  有了以上的基础,现在详细分析启动过程。
1、上电后硬件设置SP、PC
  刚上电复位后,硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表,向量表偏移地址的定义如下:

092045343233846.png

  调试现象如下:

092046570579821.png

  看看我们的向量表内容(通过J-Flash打开hex文件)

092048562138825.png

  硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP,然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC,完成复位,结果为:
SP = 0x0200 0810
PC = 0x0800 0145
2、设置系统时钟

092052446511680.png

  上一步中令PC=0x0800 0145的地址没有对齐,硬件自动对齐到0x0800 0144,执行SystemInit函数初始化系统时钟。
3、软件设置SP
  1. LDR   R0,=__main  
  2. BX   R0
复制代码

  执行上两条之类,跳转到__main程序段运行,注意不是main函数,___main的地址是0x0800 0130。

092100522921657.png

  可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12],结果SP=0x2000 0810。
4、加载.data、.bss,并初始化栈区
  1. BL.W     __scatterload_rt2
复制代码
  进入 __scatterload_rt2代码段。
  1. __scatterload_rt2:
  2. 0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
  3. 0x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
  4. 0x0800016C E006      B        0x0800017C
  5. 0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
  6. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
  7. 0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
  8. 0x08000178 4798      BLX      r3
  9. 0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#0x10
  10. 0x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
  11. 0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
  12. 0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)
复制代码

  这段代码是个循环(BCC 0x0800016e),实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候,读取“加载数据段的函数(_scatterload_copy)”的地址并跳转到该函数处运行(注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数);第二次运行的时候,读取“初始化栈的函数(_scatterload_zeroinit)”的地址并跳转到该函数处运行。 相应的代码如下:
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x010x08000174  
0x08000178 4798      BLX      r3
  
  当然执行这两个函数的时候,还需要传入参数。至于参数,我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后,结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后,也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下:
  1. 0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
  2. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
  3. 0x08000174  
  4. 0x08000178 4798      BLX      r3
复制代码
当然执行这两个函数的时候,还需要传入参数。至于参数,我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后,结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后,也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下:
  1.                  __scatterload_copy:
  2. 0x080002F4 E002      B        0x080002FC
  3. 0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
  4. 0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
  5. 0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
  6. 0x080002FC 2A00      CMP      r2,#0x00
  7. 0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
  8. 0x08000300 4770      BX       lr
  9.                  __scatterload_null:
  10. 0x08000302 4770      BX       lr
  11.                  __scatterload_zeroinit:
  12. 0x08000304 2000      MOVS     r0,#0x00
  13. 0x08000306 E001      B        0x0800030C
  14. 0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
  15. 0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
  16. 0x0800030C 2A00      CMP      r2,#0x00
  17. 0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
  18. 0x08000310 4770      BX       lr
复制代码

5、跳转到C文件的main函数
  1.                  _main_init:
  2. 0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
  3. 0x0800013A 4700      BX       r0
复制代码


五、异常向量与中断向量表
  1. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
  2.                 AREA    RESET, DATA, READONLY
  3.                 EXPORT  __Vectors
  4.                 EXPORT  __Vectors_End
  5.                 EXPORT  __Vectors_Size

  6. __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
  7.                 DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
  8.                 DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
  9.                 DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
  10.                 DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
  11.                 DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
  12.                 DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
  13.                 DCD     0                          ; Reserved
  14.                 DCD     0                          ; Reserved
  15.                 DCD     0                          ; Reserved
  16.                 DCD     0                          ; Reserved
  17.                 DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
  18.                 DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
  19.                 DCD     0                          ; Reserved
  20.                 DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
  21.                 DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

  22.                 ; External Interrupts
  23.                 DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
  24.                 DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
  25.                 DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
  26.                 DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
  27.                 DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
  28.                 DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
  29.                 DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line 0
  30.                 DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line 1
  31.                 DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line 2
  32.                 DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line 3
  33.                 DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line 4
  34.                 DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1
  35.                 DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2
  36.                 DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3
  37.                 DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4
  38.                 DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5
  39.                 DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6
  40.                 DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7
  41.                 DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
  42.                 DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX
  43.                 DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0
  44.                 DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
  45.                 DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
  46.                 DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line 9..5
  47.                 DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
  48.                 DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
  49.                 DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
  50.                 DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 Capture Compare
  51.                 DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
  52.                 DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
  53.                 DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
  54.                 DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
  55.                 DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
  56.                 DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
  57.                 DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
  58.                 DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
  59.                 DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
  60.                 DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
  61.                 DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
  62.                 DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
  63.                 DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line 15..10
  64.                 DCD     RTCAlarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
  65.                 DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
  66.                 DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
  67.                 DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
  68.                 DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
  69.                 DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 Capture Compare
  70.                 DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
  71.                 DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
  72.                 DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
  73.                 DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
  74.                 DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
  75.                 DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
  76.                 DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
  77.                 DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
  78.                 DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
  79.                 DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
  80.                 DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
  81.                 DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
  82.                 DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
  83. __Vectors_End
复制代码

  这段代码就是定义异常向量表,在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数 Reset_Handler、NMI_Handler等,在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。
  1. startup_stm32f10x_hd.s内容:

  2. NMI_Handler     PROC
  3.                 EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
  4.                 B       .
  5.                 ENDP


  6. stm32f10x_it.c中内容:
  7. void NMI_Handler(void)
  8. {
  9. }
复制代码

  在启动汇编文件中已经定义了函数NMI_Handler,但是使用了“弱”,它允许我们再重新定义一个NMI_Handler函数,程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在,只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。
六、使用微库与不使用微库的区别
092134086673127.png

  使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数,而想用自己定义的库函数,比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢?我们以printf函数为例进行说明。
1、不使用微库而使用系统库
  在连接程序时,肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接,即代码段有系统库的参与。
  在启动过程中,不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候,还需要初始化堆(猜测系统库需要用到堆),而使用微库则是不需要的。
  1.                  IF      :DEF:__MICROLIB
  2.                
  3.                  EXPORT  __initial_sp
  4.                  EXPORT  __heap_base
  5.                  EXPORT  __heap_limit
  6.                
  7.                  ELSE
  8.                
  9.                  IMPORT  __use_two_region_memory
  10.                  EXPORT  __user_initial_stackheap
  11.                  
  12. __user_initial_stackheap

  13.                  LDR     R0, =  Heap_Mem
  14.                  LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
  15.                  LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
  16.                  LDR     R3, = Stack_Mem
  17.                  BX      LR

  18.                  ALIGN

  19.                  ENDIF
复制代码

  另外,在执行__main函数的过程中,不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作,额外的工作还需要进行库的初始化,才能使用系统库(这一部分我还没有深入探讨)。附上__main函数的内容:
  1.                   __main:
  2. 0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
  3. 0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
  4.                  __scatterload_rt2_thumb_only:
  5. 0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4  ; @0x08000164
  6. 0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
  7. 0x0800013E 4482      ADD      r10,r10,r0
  8. 0x08000140 4483      ADD      r11,r11,r0
  9. 0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
  10.                  __scatterload_null:
  11. 0x08000146 45DA      CMP      r10,r11
  12. 0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
  13. 0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
  14. 0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07  ; @0x08000147
  15. 0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}
  16. 0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x01
  17. 0x0800015A BF18      IT       NE
  18. 0x0800015C 1AFB      SUBNE    r3,r7,r3
  19. 0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
  20. 0x08000162 4718      BX       r3
  21. 0x08000164 0298      LSLS     r0,r3,#10
  22. 0x08000166 0000      MOVS     r0,r0
  23. 0x08000168 02B8      LSLS     r0,r7,#10
  24. 0x0800016A 0000      MOVS     r0,r0
  25.                  __scatterload_copy:
  26. 0x0800016C 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
  27. 0x0800016E BF24      ITT      CS
  28. 0x08000170 C878      LDMCS    r0!,{r3-r6}
  29. 0x08000172 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
  30. 0x08000174 D8FA      BHI      __scatterload_copy (0x0800016C)
  31. 0x08000176 0752      LSLS     r2,r2,#29
  32. 0x08000178 BF24      ITT      CS
  33. 0x0800017A C830      LDMCS    r0!,{r4-r5}
  34. 0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
  35. 0x0800017E BF44      ITT      MI
  36. 0x08000180 6804      LDRMI    r4,[r0,#0x00]
  37. 0x08000182 600C      STRMI    r4,[r1,#0x00]
  38. 0x08000184 4770      BX       lr
  39. 0x08000186 0000      MOVS     r0,r0
  40.                  __scatterload_zeroinit:
  41. 0x08000188 2300      MOVS     r3,#0x00
  42. 0x0800018A 2400      MOVS     r4,#0x00
  43. 0x0800018C 2500      MOVS     r5,#0x00
  44. 0x0800018E 2600      MOVS     r6,#0x00
  45. 0x08000190 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
  46. 0x08000192 BF28      IT       CS
  47. 0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
  48. 0x08000196 D8FB      BHI      0x08000190
  49. 0x08000198 0752      LSLS     r2,r2,#29
  50. 0x0800019A BF28      IT       CS
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  52. 0x0800019E BF48      IT       MI
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  54. 0x080001A2 4770      BX       lr
  55.                  __rt_lib_init:
  56. 0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
  57. 0x080001A6 F3AF8000  NOP.W   
  58.                  __rt_lib_init_user_alloc_1:
  59. 0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc}
  60.                  __rt_lib_shutdown:
  61. 0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr}
  62.                  __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
  63. 0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}
  64.                  __rt_entry_sh:
  65. 0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
  66. 0x080001B4 4611      MOV      r1,r2
  67.                  __rt_entry_postsh_1:
  68. 0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4)
  69.                  __rt_entry_postli_1:
  70. 0x080001BA F000F919  BL.W     main (0x080003F0)
复制代码

2、使用微库而不使用系统库
  在程序连接时,不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中,而使用我们定义的库。
  启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5,相比使用系统库,启动过程步骤更少。


收藏 评论0 发布时间:2022-1-13 21:00

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