ARM启动过程(Cortex-M4 NXP QN9080为例)

CMSIS 到底是什么

CMSIS的意思是Cortex Micro-controller Software Interface Standard，微控制器软件接口标准， 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。CMSIS 可实现与处理器和外设之间的一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用，缩短微控制器开发人员新手的学习过程，并缩短新设备的上市时间。

如何使用CMSIS，需要哪些文件？

以Freescale Kinetis L系列举例。
独立于编译器的文件：
● Cortex-M3内核及其设备文件(core_cm3.h + core_cm3.c)
─ 访问Cortex-M0内核及其设备：NVIC等
─ 访问Cortex-M0的CPU寄存器和内核外设的函数

● 微控制器专用头文件(device.h) - MKL25Z4.h
─ 指定中断号码(与启动文件一致)
─ 外设寄存器定义(寄存器的基地址和布局)
─ 控制微控制器其他特有的功能的函数(可选)

● 微控制器专用系统文件( system_device.c) – system_MKL25Z4.h + system_MKL25Z4 .c
─ 函数SystemInit，用来初始化微控制器
–函数 void SystemCoreClockUpdate (void); 用于获取内核时钟频率
─SystemCoreClock，该值代表系统时钟频率
─ 微控制器的其他功能(可选)

● 编译器启动代码(汇编或者C)( startup_device.s) - startup_MKL25Z4.s for Keil
─ 微控制器专用的中断处理程序列表(与头文件一致)

以QN9080的启动文件进行ARM启动流程讲解

startup_QN908X.s

                PRESERVE8  //PRESERVE8指定了以下的代码位8字节对齐
                THUMB  //THUMB指定了接下来的代码为THUMB指令集

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY  //此语句声明RESET数据段
                EXPORT  __Vectors  //导出向量表标号，EXPORT作用类似于C语言中的extern
                IMPORT  |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|

__Vectors       DCD     |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit| ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler               ; Reset Handler

                DCD     NMI_Handler
                DCD     HardFault_Handler
                DCD     MemManage_Handler
                DCD     BusFault_Handler
                DCD     UsageFault_Handler

; Reset Handler

Reset_Handler   
PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  SystemInit
                IMPORT  __main
                LDR     R0, =SystemInit //系统初始化
                BLX     R0
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

QN908X.scf

LR_m_text m_interrupts_start m_text_start+m_text_size-m_interrupts_start  //加载区 名称 起始地址 地址范围  
{ ; load region size_region
  VECTOR_ROM m_interrupts_start m_interrupts_size //执行区名称 起始地址 地址范围 
 { ; load address = execution address //执行域和加载域一致
    * (RESET,+FIRST) //将RESET代码放在区首，最开始执行 FIRST属性符表示放在最开始  
  }
  ER_m_text m_text_start m_text_size  {  ; load address = execution address//执行域和加载域一致
    * (InRoot$$Sections)
    .ANY (+RO) //只读代码和数据放在此区域  
  }

#if (defined(__ram_vector_table__))
  VECTOR_RAM m_interrupts_ram_start EMPTY m_interrupts_ram_size {
  }
#else
  VECTOR_RAM m_interrupts_start EMPTY 0 {
  }
#endif
  RW_m_data m_data_start m_data_size-Stack_Size-Heap_Size { ; RW data
    .ANY (+RW +ZI)   //RW,ZI 放入此处  
    *(in_ram)
  }
  ARM_LIB_HEAP +0 EMPTY Heap_Size {    ; Heap region growing up  //+0其实就是从前面一个域的末地址开始
  }
  ;ARM_LIB_STACK m_data_start+m_data_size EMPTY -Stack_Size { ; Stack region growing down //-Stack_Size 栈由高地址向低地址
  ARM_LIB_STACK +0 ALIGN 8 EMPTY Stack_Size { ; Stack region growing up
  }
}

.map文件

==============================================================================

Memory Map of the image

  Image Entry point : 0x00000111

  Load Region LR_m_text (Base: 0x00000000, Size: 0x00004ba0, Max: 0x0007d800, ABSOLUTE)

    Execution Region VECTOR_ROM (Base: 0x00000000, Size: 0x00000110, Max: 0x00000110, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x00000000   0x00000110   Data   RO            4    RESET               startup_qn908x.o


    Execution Region ER_m_text (Base: 0x00000110, Size: 0x000049ec, Max: 0x0007d6f0, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x00000110   0x00000000   Code   RO         1650  * .ARM.Collect$$$$00000000  mc_w.l(entry.o)
    0x00000110   0x00000004   Code   RO         1782    .ARM.Collect$$$$00000003  mc_w.l(entry4.o)
    0x00000114   0x00000004   Code   RO         1785    .ARM.Collect$$$$00000004  mc_w.l(entry5.o)
    0x00000118   0x00000000   Code   RO         1787    .ARM.Collect$$$$00000008  mc_w.l(entry7b.o)
    0x00000118   0x00000000   Code   RO         1789    .ARM.Collect$$$$0000000A  mc_w.l(entry8b.o)
    0x00000118   0x00000008   Code   RO         1790    .ARM.Collect$$$$0000000B  mc_w.l(entry9a.o)
    0x00000120   0x00000000   Code   RO         1792    .ARM.Collect$$$$0000000D  mc_w.l(entry10a.o)
    0x00000120   0x00000000   Code   RO         1794    .ARM.Collect$$$$0000000F  mc_w.l(entry11a.o)
    0x00000120   0x00000004   Code   RO         1783    .ARM.Collect$$$$00002714  mc_w.l(entry4.o)
    0x00000124   0x00000180   Code   RO            5    .text               startup_qn908x.o
......
    Execution Region VECTOR_RAM (Base: 0x04000400, Size: 0x00000110, Max: 0x00000110, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x04000400   0x00000110   Zero   RW            1    VECTOR_RAM.bss      anon$$obj.o


    Execution Region RW_m_data (Base: 0x04000510, Size: 0x000001d0, Max: 0x0001f2f0, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x04000510   0x00000038   Data   RW          334    .data               multitimer.o
    0x04000548   0x00000008   Data   RW          506    .data               fsl_debug_console.o
    0x04000550   0x00000048   Data   RW          615    .data               pin_mux.o
    0x04000598   0x00000001   Data   RW         1129    .data               fsl_clock.o
    0x04000599   0x00000003   PAD
    0x0400059c   0x0000000c   Data   RW         1530    .data               fsl_qn_qdec_ex_function.o
    0x040005a8   0x00000004   Data   RW         1808    .data               mc_w.l(mvars.o)
    0x040005ac   0x00000004   Data   RW         1813    .data               mc_w.l(errno.o)
    0x040005b0   0x00000100   Zero   RW          114    .bss                unity.o
    0x040006b0   0x00000010   Zero   RW          505    .bss                fsl_debug_console.o
    0x040006c0   0x00000020   Zero   RW          889    .bss                fsl_flexcomm.o


    Execution Region ARM_LIB_HEAP (Base: 0x040006e0, Size: 0x00000000, Max: 0x00000000, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x040006e0   0x00000000   Zero   RW            2    ARM_LIB_HEAP.bss    anon$$obj.o


    Execution Region ARM_LIB_STACK (Base: 0x040006e0, Size: 0x00000800, Max: 0x00000800, ABSOLUTE)

    Base Addr    Size         Type   Attr      Idx    E Section Name        Object

    0x040006e0   0x00000800   Zero   RW            3    ARM_LIB_STACK.bss   anon$$obj.o

你可以对比的看.scf 和.map文件，.map文件就是依据.scf文件来进行加载域和执行域的确定的。

我们可以看到VECTOR_ROM和ER_m_text的两个加载域和执行域是一致的。

这个图是我网上找的，具体地址界限并不和上面的程序一致。
下面我把具体的启动流程列出来:

• 复位状态后，CM4的第一件事就是读取下列两个 32位整数的值：
  （1）从地址0x0000,0000处取出 MSP 的初始值。
  （2）从地址0x0000,0004处取出 PC的初始值——这个值是复位向量，LSB 必须是1 。 然后从这个值所对应的地址处取指。
  
  注意，这与传统的ARM 架构不同——其实也和绝大多数的其它单片机不同。传统的RM 架构总是从 0 地址开始执行第一条指令。它们的 0 地址处总是一条跳转指令。在 CM3中，0 地址处提供 MSP 的初始值，然后就是向量表（向量表在以后还可以被移至其它位置）。
  
  CM3上电后的向量表

• 在复位函数里做一些系统的初始化: MSP赋值，SystemInit
  arm的启动代码一般是用汇编写的，在堆栈建立以后才可以运行C代码，因为C函数调用需要把参数，函数返回地址入栈，堆栈没有建立是不能运行C代码的。
  这里的SystemInit虽然在.c文件里，但内部代码全是对寄存器的操作，本身也没有参数和返回值，所有编译出来全是代码段，没有变量什么的。所以不会因为堆栈还没有建立就不能执行。

• 然后调用系统函数__main(); (IAR跳转到__iar_program_start）

• _main 直接跳转到 __scatterload，__scatterload 执行代码和数据复制以及 ZI 数据的清零。根据分散加载文件，拷贝RW数据到RAM,在RAM空间里建立ZI的数据空间，建立运行时的映像存储器映射.

• 然后跳转到 __rt_entry（运行时的入口）则负责初始化 C 库。还设置应用程序的栈和堆，初始化库函数及其静态数据。

• 这时应用程序的堆栈建立了，跳转到main()函数，运行用户代码。

上面startup中的|Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit| 什么意思？？？

__Vectors 第一个DCD就是 |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
这是什么意思呢？这时候可以求助KEIL的Help工具。

在Linker User Guide的7.1.4中讲解了如何在分散加载文件scatter中指定栈和堆。

当你在分散加载文件中定义了两个自定义的执行域ARM_LIB_HEAP和ARM_LIB_STACK，这会引起ARM的library去用 |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|的值来执行__user_setup_stackheap()函数。

|Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
的意思是Address of the byte beyond the end of the ZI output section in the execution region.
在执行域的ZI域后面初始化栈。