STM32F40X启动过程

做毕设接触到STM32F407，看了两天数据手册，感觉跟F10X系列并没有多少区别，无非是多了个DCMI外设、时钟频率提高到168M、FLASH增大了、SRAM增大了。然而，非也！CM4内核引进的FPU单元和DSP库极大了促进了算法工程师们的开发能力！关于DSP库有时间再聊，今天先聊一下F4的启动文件。

    我们先来看一下，启动文件前面的介绍  （固件库版本：V1.0.2） 
******************** (C) COPYRIGHT 2015 STMicroelectronics ********************
;* File Name          : startup_stm32f40_41xxx.s
;* Author             : MCD Application Team
;* @version           : V1.5.0
;* @date              : 06-March-2015
;* Description : STM32F4xx devices vector table for MDK-ARM toolchain. 
;* This module performs: 
;* - Set the initial SP 
;* - Set the initial PC == Reset_Handler 
;* - Set the vector table entries with theexceptions ISR address 
;* - Configure the system clock and the external SRAM mounted on 
;* STM324xG-EVAL board to be used as data memory (optional, 
;* to be enabled by user) 
;* - Branches to __main in the C library (which eventually 
;* calls main()). 
;* After Reset the CortexM4 processor is in Thread mode, 
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main. 
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> 
;******************************************************************************* 
; 
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License"); 
; You may not use this file except in compliance with the License. 
; You may obtain a copy of the License at: 
; 
; http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2 
; 
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software 
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, 
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. 
; See the License for the specific language governing permissions and 
; limitations under the License. 
; 
;******************************************************************************* 
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack 
; Tailor this value to your application needs 
; Stack Configuration 
; Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8> 
;  
启动文件是后缀为.s 的汇编语言文本文件。行首的分号表示此行是注释行。 启动文件主要完成如下工作，即程序执行过程 
-  设置堆栈指针 SP = __initial_sp 
-  设置 PC 指针  = Reset_Handler 
-  配置系统时钟 
-  配置外部 SRAM 用于程序变量等数据存储（这是可选的） 
-  跳转（Jump）到 C 库中的  __main  ，最终会调用（Call）用户程序的 main()函数 
CortexM4 处理器复位后，处于线程模式，指令权限是特权级别（最高级别），堆栈设置为主堆栈。  
硬件复位之后，CPU 内的时序逻辑电路首先将 0x0800  0000 位置存放的堆栈栈顶地址装入 SP 寄存器。紧接着将 0x0800  0004 位置存放的向量地址装入 PC 程序计数器。CPU 从 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 条指令开始执行程序，也就是开始执行复位中断服务程序Reset_Handler.复位中断服务程序会调用 SystemInit()函数(C 语言的)  来配置系统时钟、配置 FSMC 总线上的外部SRAM，然后跳转到 C 库中__main 函数。由 C 库中的__main 函数完成用户程序的初始化工作（比如：变量赋初值等），最后由__main 函数调用用户写的  main()函数开始执行 C 程序。 

Stack_Size EQU 0x00004000 
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 
Stack_Mem SPACE Stack_Size 
__initial_sp 
MDK 汇编语言的语法和关键字定义可以在 MDK 的连接帮助中找到定义。 
EQU 是表示宏定义的伪指令，类似于 C 语言中的#define。伪指令的意思是指这个“指令”并不会生成二进制程序代码，也不会引起变量空间分配。0x00004000 表示堆栈大小，注意这里是以字节为单位。 开辟一段数据空间可读可写，段名 STACK，按照 字节 对齐。 ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。 

STACK  ：表示这个段的名字，可以任意命名。 
NOINIT：表示此数据段不需要填入初始数据。 
READWRITE：表示此段可读可写。 
ALIGN=3  ：表示首地址按照 2 的 3 次方对齐，也就是按照 1字节对齐。 

SPACE  这行指令告诉汇编器给 STACK 段分配 0x00004000 字节的连续内存空间。 
__initial_sp 只是一个标号。这里解释一下什么是标号，标号主要用于表示一片内存空间的某个位置，等价于 C 语言中的“地址”概念。地址仅仅表示存储空间的一个位置，从 C 语言的角度来看，变量的地址，数组的地址或是函数的入口地址在本质上并无区别。 __initial_sp 紧接着 SPACE 语句放置，表示了栈空间顶地址。M4 堆栈是由高地址空间向低地址空间增长的。压栈（PUSH）时，堆栈指针 SP 递减。弹栈（POP）时，SP 递增。 栈（STACK）用于存储局部变量、保存函数返回地址。 

; Heap Configuration 
; Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8> 
;  
Heap_Size EQU 0x00000400 
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 
__heap_base 
Heap_Mem SPACE Heap_Size 
__heap_limit 
这几行语句和上面的一段代码类似。分配一片连续的内存空间给名字叫 HEAP 的段，也就是分配堆空间。堆的大小为 0x00000400。堆的首地址是 8 字节对齐。堆主要用于动态内存分配，也就是说用 malloc 函数分配的空间位于堆空间。 
__heap_base  表示堆的开始地址。 
__heap_limit  表示堆的结束地址。 

THUMB 
PRESERVE8 指定当前文件保持堆栈1字节对齐。 
THUMB 表示后面的指令是 THUMB 指令集  （CM4 采用的是 16 位 THUMB 指令集，这是相对于ARM7，ARM9，ARM11 的 32 位的 ARM 指令集而言的） 
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset 
AREA RESET, DATA, READONLY 
EXPORT __Vectors 
EXPORT __Vectors_End 
EXPORT __Vectors_Size 
AREA 定义一块代码段，只读，段名字是 RESET。READONLY 表示只读，缺省就表示代码段了。 3 行 EXPORT 语句将 3 个标号申明为可被外部引用，主要提供给连接器用于连接库文件或其他其他文件。 

__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack 
DCD Reset_Handler ; Reset Handler 
DCD NMI_Handler ; NMI Handler 
DCD HardFault_Handler ; Hard FaultHandler 
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler 
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler 
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler 
… 中间的代码已省略 … 
DCD DCMI_IRQHandler ; DCMI 
DCD CRYP_IRQHandler ; CRYP crypto 
DCD HASH_RNG_IRQHandler ; Hash and Rng 
DCD FPU_IRQHandler ; FPU
__Vectors_End 
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors 

上面的这段代码是建立中断向量表，中断向量表定位在代码段的最前面。具体的物理地址由连接器的配置参数（IROM1 的地址）决定。如果程序在 Flash 运行，则中断向量表的起始地址是 0x08000000。 DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码。中断向量表存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常（也即是中断事件）发生时，CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器，之后就开始执行中断服务程序。 

AREA |.text|, CODE, READONLY 
; Reset handler 
Reset_Handler PROC 
EXPORT Reset_Handler [WEAK] 
IMPORT SystemInit 
IMPORT __main 
LDR R0, =SystemInit 
BLX R0 
LDR R0, =__main 
BX R0 
ENDP 
… 下面是其他的中断服务程序 … 
; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified) 
NMI_Handler PROC 
EXPORT NMI_Handler [WEAK] 
B . <------ 死循环，用户可以自己编写中断服务程
ENDP 
HardFault_Handler\ 
PROC 
EXPORT HardFault_Handler [WEAK] 
B . 
ENDP 
… 中间的代码已省略 … 
Default_Handler PROC  <------ 缺省的中断服务程序（开始）
EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK] 
EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK] 
… 中间的代码已省略 … 
CRYP_IRQHandler 
HASH_RNG_IRQHandler 
FPU_IRQHandler 
B . <------ 死循环
ENDP  <------ 缺省的中断服务程序(结束) 
上面的程序就是用汇编代码实现的中断服务程序，下面还有其它中断的中断服务程序，这里就不说了，重点把这个复位中断服务程序说一下。 
¾  利用 PROC、ENDP 这一对伪指令把程序段分为若干个过程，使程序的结构加清晰。 
¾  WEAK 声明其他的同名标号优先于该标号被引用,就是说如果外面声明了的话会调用外面的。这个申明很重要，它让我们可以在 C 文件中任意地方放置中断服务程序，只要保证 C 函数的名字和向量表中的名字一致即可。
¾  IMPORT：伪指令用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义。但要在当前源文件中引
用，而且无论当前源文件是否引用该标号，该标号均会被加入到当前源文件的符号表中。 
¾  SystemInit 函数在文件 system_stm32f4xx.c 里面。 
¾  这里重点说明一下__main 标号，__main 标号并不表示 C 程序中的 main 函数入口地址， 因此 LDR R0，=_main 也并不是跳转至 main 函数开始执行 C 程序。__main 标号表示 C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序__main 的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈（跳转__user_initial_stackheap 标号进行初始化堆栈的，下面会讲到这个标号），并初始化映像文件，最后跳转到 C 程序中的 main 函数。这就解释了为何所有的 C 程序必须有一个 main 函数作为程序的起点。因为这是由 C/C++标准实时库所规，并且不能更改。 
下面我们来看看启动文件最后一段代码，选择用户自己初始化堆和栈。 
ALIGN 
;******************************************************************************* 
; User Stack and Heap initialization 
;******************************************************************************* 
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 
END 
;************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE*****
上面就是一个简单的汇编语言实现 IF…….ELSE…………语句。如果定义了 MICROLIB，那么程序是不会 ELSE 分支的代码。 __MICROLIB 可能大家并不陌生，就在 MDK 的 Target Option 里面设置。