STM32 裸机编程 03

MCU 启动和向量表

当 STM32F429 MCU 启动时,它会从 flash 存储区最前面的位置读取一个叫作“向量表”的东西。“向量表”的概念所有 ARM MCU 都通用,它是一个包含 32 位中断处理程序地址的数组。对于所有 ARM MCU,向量表前 16 个地址由 ARM 保留,其余的作为外设中断处理程序入口,由 MCU 厂商定义。越简单的 MCU 中断处理程序入口越少,越复杂的 MCU 中断处理程序入口则会更多。

STM32F429 的向量表在数据手册表 62 中描述,我们可以看到它在 16 个 ARM 保留的标准中断处理程序入口外还有 91 个外设中断处理程序入口。

在向量表中,我们当前对前两个入口点比较感兴趣,它们在 MCU 启动过程中扮演了关键角色。这两个值是:初始堆栈指针和执行启动函数的地址(固件程序入口点)。

所以现在我们知道,我们必须确保固件中第 2 个 32 位值包含启动函数的地址,当 MCU 启动时,它会从 flash 读取这个地址,然后跳转到我们的启动函数。

最小固件

现在我们创建一个 main.c 文件,指定一个初始进入无限循环什么都不做的启动函数,并把包含 16 个标准入口和 91 个 STM32 入口的向量表放进去。用你常用的编辑器创建 main.c 文件,并写入下面的内容:

// Startup code
__attribute__((naked, noreturn)) void _reset(void) {
  for (;;) (void) 0;  // Infinite loop
}

extern void _estack(void);  // Defined in link.ld

// 16 standard and 91 STM32-specific handlers
__attribute__((section(".vectors"))) void (*tab[16 + 91])(void) = {
  _estack, _reset
};

对于 _reset() 函数,我们使用了 GCC 编译器特定的 naked 和 noreturn 属性,这意味着标准函数的进入和退出不会被编译器创建,这个函数永远不会返回。

void (*tab[16 + 91])(void) 这个表达式的意思是:定义一个 16+91 个指向没有返回也没有参数的函数的指针数组,每个这样的函数都是一个中断处理程序,这个指针数组就是向量表。

我们把 tab 向量表放到一个独立的叫作 .vectors 的区段,后面需要告诉链接器把这个区段放到固件最开始的地址,也就是 flash 存储区最开始的地方。前 2 个入口分别是:堆栈指针和固件入口,目前先把向量表其它值用 0 填充。

编译

我们来编译下代码,打开终端并执行:

$ arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m4 main.c -c

成功了!编译器生成了 main.o 文件,包含了最小固件,虽然这个固件程序什么都没做。这个 main.o 文件是 ELF 二进制格式的,包含了多个区段,我们来具体看一下:

$ arm-none-eabi-objdump -h main.o
...
Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .text         00000002  00000000  00000000  00000034  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .data         00000000  00000000  00000000  00000036  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000000  00000000  00000000  00000036  2**0
                  ALLOC
  3 .vectors      000001ac  00000000  00000000  00000038  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA
  4 .comment      0000004a  00000000  00000000  000001e4  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .ARM.attributes 0000002e  00000000  00000000  0000022e  2**0
                  CONTENTS, READONLY

注意现在所有区段的 VMA/LMA 地址都是 0,这表示 main.o 还不是一个完整的固件,因为它没有包含各个区段从哪个地址空间载入的信息。我们需要链接器从 main.o 生成一个完整的固件 firmware.elf

.text 区段包含固件代码,在上面的例子中,只有一个 _reset() 函数,2 个字节长,是跳转到自身地址的 jump 指令。.data 和 .bss(初始化为 0 的数据) 区段都是空的。我们的固件将被拷贝到偏移 0x8000000 的 flash 区,但是数据区段应该被放到 RAM 里,因此 _reset() 函数应该把 .data 区段拷贝到 RAM,并把整个 .bss 区段写入 0。现在 .data 和 .bss 区段是空的,我们修改下 _reset() 函数让它处理好这些。

为了做到这一点,我们必须知道堆栈从哪开始,也需要知道 .data 和 .bss 区段从哪开始。这些可以通过“链接脚本”指定,链接脚本是一个带有链接器指令的文件,这个文件里存有各个区段的地址空间以及对应的符号。

链接脚本

创建一个链接脚本文件 link.ld,然后把一下内容拷进去:

ENTRY(_reset);
MEMORY {
  flash(rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048k
  sram(rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 192k  /* remaining 64k in a separate address space */
}
_estack     = ORIGIN(sram) + LENGTH(sram);    /* stack points to end of SRAM */

SECTIONS {
  .vectors  : { KEEP(*(.vectors)) }   > flash
  .text     : { *(.text*) }           > flash
  .rodata   : { *(.rodata*) }         > flash

  .data : {
    _sdata = .;   /* .data section start */
    *(.first_data)
    *(.data SORT(.data.*))
    _edata = .;  /* .data section end */
  } > sram AT > flash
  _sidata = LOADADDR(.data);

  .bss : {
    _sbss = .;              /* .bss section start */
    *(.bss SORT(.bss.*) COMMON)
    _ebss = .;              /* .bss section end */
  } > sram

  . = ALIGN(8);
  _end = .;     /* for cmsis_gcc.h  */
}

下面分段解释下:

ENTRY(_reset);

这行是告诉链接器在生成的 ELF 文件头中 "entry point" 属性的值。没错,这跟向量表重复了,这个的目的是为像 Ozone 这样的调试器设置固件起始的断点。调试器是不知道向量表的,所以只能依赖 ELF 文件头。

MEMORY {
  flash(rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048k
  sram(rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 192k  /* remaining 64k in a separate address space */
}

这是告诉链接器有 2 个存储区空间,以及它们的起始地址和大小。

_estack     = ORIGIN(sram) + LENGTH(sram);    /* stack points to end of SRAM */

这行告诉链接器创建一个 _estack 符号,它的值是 RAM 区的最后,这也是初始化堆栈指针的值。

  .vectors  : { KEEP(*(.vectors)) }   > flash
  .text     : { *(.text*) }           > flash
  .rodata   : { *(.rodata*) }         > flash

这是告诉链接器把向量表放在 flash 区最前,然后是 .text 区段(固件代码),再然后是只读数据 .rodata

  .data : {
    _sdata = .;   /* .data section start */
    *(.first_data)
    *(.data SORT(.data.*))
    _edata = .;  /* .data section end */
  } > sram AT > flash
  _sidata = LOADADDR(.data);

这是 .data 区段,告诉链接器创建 _sdata 和 _edata 两个符号,我们将在 _reset() 函数中使用它们将数据拷贝到 RAM。

  .bss : {
    _sbss = .;              /* .bss section start */
    *(.bss SORT(.bss.*) COMMON)
    _ebss = .;              /* .bss section end */
  } > sram

.bss 区段也是一样。

启动代码

现在我们来更新下 _reset 函数,把 .data 区段拷贝到 RAM,然后把 .bss 区段初始化为 0,再然后调用 main() 函数,在 main() 函数有返回的情况下进入无限循环:

int main(void) {
  return 0; // Do nothing so far
}

// Startup code
__attribute__((naked, noreturn)) void _reset(void) {
  // memset .bss to zero, and copy .data section to RAM region
  extern long _sbss, _ebss, _sdata, _edata, _sidata;
  for (long *src = &_sbss; src < &_ebss; src++) *src = 0;
  for (long *src = &_sdata, *dst = &_sidata; src < &_edata;) *src++ = *dst++;

  main();             // Call main()
  for (;;) (void) 0;  // Infinite loop in the case if main() returns
}

下面的框图演示了 _reset() 如何初始化 .data 和 .bssSTM32 裸机编程 03_第1张图片

初始化

firmware.bin 文件由 3 部分组成:.vectors(中断向量表)、.text(代码)、.data(数据)。这些部分根据链接脚本被分配到不同的存储空间:.vectors 在 flash 的最前面,.text 紧随其后,.data 则在那之后很远的地方。.text 中的地址在 flash 区,.data 在 RAM 区。例如,一个函数的地址是 0x8000100,则它位于 flash 中。而如果代码要访问 .data 中的变量,比如位于 0x20000200,那里将什么也没有,因为在启动时 firmware.bin 中 .data 还在 flash 里!这就是为什么必须要在启动代码中将 .data 区段拷贝到 RAM。

现在我们可以生成完整的 firmware.elf 固件了:

$ arm-none-eabi-gcc -T link.ld -nostdlib main.o -o firmware.elf

再次检验 firmware.elf 中的区段:

$ arm-none-eabi-objdump -h firmware.elf
...
Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .vectors      000001ac  08000000  08000000  00010000  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  1 .text         00000058  080001ac  080001ac  000101ac  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
...

可以看到,.vectors 区段在 flash 的起始地址 0x8000000,.text 紧随其后。我们在代码中没有创建任何变量,所以没有 .data 区段。

烧写固件

现在可以把这个固件烧写到板子上了!

先把 firmware.elf 中各个区段抽取到一个连续二进制文件中:

$ arm-none-eabi-objcopy -O binary firmware.elf firmware.bin

然后使用 st-link 工具将 firmware.bin 烧入板子,连接好板子,然后执行:

$ st-flash --reset write firmware.bin 0x8000000

这样就把固件烧写到板子上了。

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