ARM Cortex-M3从汇编到C，从Boot到应用的教程

ARM Cortex-M3从汇编到C，从Boot到应用的教程

作者	将狼才鲸
创建日期	2022-11-05

Gitee工程和源码地址：才鲸嵌入式 / ARM-Cortex-M3从汇编到C_从Boot到应用教程
CSDN文章阅读地址：ARM Cortex-M3从汇编到C，从Boot到应用的教程
Bilibili视频讲解地址（待完成）：才鲸嵌入式

• 其它相关仓库文档：
  才鲸嵌入式 / 嵌入式知识图谱WiKi
  才鲸嵌入式 / 8051_c51_单片机从汇编到C_从Boot到应用实践教程

---

工程名称	作用
01_Hello_world	使用Keil的模拟器在虚拟终端输出Hello world
02_Keil_boot_comments	Keil自带汇编boot的注释
03_Self_assembler_boot	自行实现汇编boot
04_Uart_loopback	串口收发回环
…	…

---

一、前言

1）本仓库的目的

• 本仓库计划实现的内容：

  • 描述Cortex-M3的指令集和通用寄存器。
  • 针对M3内核，使用汇编从复位开始写boot引导C语言main()函数。
  • 不使用任何芯片厂商提供的开发包，自己写Boot，自行移植C语言库函数，自己写所有驱动和应用。
  • 移植一款RTOS操作系统。

• 本仓库面向的目标读者：

  • 使用M3的某一款芯片写过驱动或应用，但是对M3的boot过程和底层代码不熟悉的。
  • 没接触过ARM，对32位芯片的工作流程感兴趣的。
  • 对整个嵌入式裸机软件结构感兴趣的。

• 不适用本仓库的读者：

  • 想尽快用ARM芯片写出一个项目的（这时应该直接使用STM32，调用它丰富且使用简洁的库）。
  • 不想使用模拟器，而是想直接使用一款硬件运行程序的。

2）M3介绍

• M3由ARM公司于2004年推出，至今仍是很多单片机芯片使用的内核，如STM32F10x系列。

• ST公司于2007年首次使用ARM公司的内核，产品是F1，随后凭借其简洁易用的软件开发包逐渐发展出著名的STM32系列，累计出货量近百亿颗。

• M3属于ARMv7架构，ARMv7是ARM11之后的版本。

• M3属于Cortex系列，该系列有三类：A、R和M，比如熟悉的Cortex-A9。

• M3内核仅33000门。

• M3不能使用ARM指令集，而是使用Thumb或Thumb-2指令集。

  • M3使用Cortex微控制器软件接口标准 (CMSIS)作为硬件抽象层。
  • M3最大支持512M代码，512M SRAM，1G外部RAM，详见芯片文档的“3.4 Processor memory model”，芯片文档下载地址见本文档下面第三章。
  • M3的R0~R15通用寄存器介绍详见芯片文档的“3.8 Processor core register summary”。
  • M3的系统控制寄存器介绍详见芯片文档的“4.1 System control registers”，共有36个，如定时器、中断控制、系统状态、内存模式、指令集设置。

• 参考资料：

MCU缺货涨价后的国产化浪潮（三）：全球 MCU 市场高度集中，多因素共振加速国产替代 文章里也列出了全球和国内的MCU厂商和所有嵌入式的行业。
ARM CORTEX-M3简介
ARM Cortex-M3
ARM发布适于高性能、低成本应用的Cortex-M3处理器

3）开发环境

• 本仓库所有工程均在Keil下创建，并使用Keil的模拟器运行，不使用具体的硬件开发板。
• 后续可能会在QEMU模拟器上运行。

二、ARM-MDK IDE集成开发环境下载

• MDK-arm软件社区版官方介绍（无代码大小限制，不能用于商用，需要先获取社区版许可证，也就是在官网注册账号后再下载）：MDK-社区版概述
• 获取社区版许可证：Log in with your Arm or Mbed account
• 下载地址主界面：MDK Community Edition
• 下载地址举例：https://www.keil.com/fid/comahow53j1j1wriguw1y56me9lv1dgw3o3fd1/files/eval/mdk536.exe
• MKD-arm评估版软件官方下载地址（也就是不注册账号就下载，有32K代码限制）：mdk536.exe
• 安装的时候会自动下载各种芯片包。
• MKD里面没有硬件模拟器，可以直接运行和调试程序，你也可以编译完生成可执行程序后在QEMU软件里面仿真运行。
• Keil创建M3工程的流程可以网上自行搜索，创建时可以添加ARM官方提供的各个模块的代码，可以节省开发时间。

三、M3指令集和寄存器介绍

1）M3文档在线阅读及下载

• 芯片（IP核）手册 ARM Cortex-M3 Processor Technical Reference Manual

• ARMv7-M指令集手册 ARMv7-M Architecture Reference Manual

• 以上两个文档描述了M3内核的通用寄存器和指令集，其中：

  • 芯片手册的“Table 3-1 Cortex-M3 instruction set summary”有所有指令的汇总表格，在线阅读地址在Processor instructions。
  • 指令集汇总的本地子文档：[01_ARM Cortex-M3指令集汇总.md](./doc/01_ARM Cortex-M3指令集汇总.md)

2）其它ARM核指令集介绍

• ARM 可以用两套指令集：ARM指令集和Thumb指令集。
• ARM核各个系列的介绍详见 ：
  参考网址：
  关于ARM的内核架构
  ARM汇编指令集汇总
  ARM指令集
  关于ARM处理器指令集
  ARM指令集
  Arm Architecture Reference Manual for A-profile architecture ARM官方可以下载文档

四、Keil汇编伪指令介绍

• 详见本仓库中子文档：02_Keil_ARM汇编伪指令.md

五、软件工程及源码

1）01_Hello_world

• 创建一个M3工程，使用Keil模拟器运行，在Keil软件的调试终端输出Hello world。
• 创建工程的过程参考以下网址：
  • 应用相关 新建一个基于ARM M3的工程 选择CMSIS中的Core和Device中的Startup即可。
  • Error: L6218E: Undefined symbol Image$$AR{M}_{L}I{B}_{S}TACK$$ZI$$Limit Not enough information to list image
  • 配置中的Debug页面勾选使用模拟器。
• 进行printf输出重映射，将输出映射到Keil的Debug(printf) Viewer窗口
  • Keil Debug(printf) Viewer的使用
  • keil去除未使用的参数，变量，返回值的警告
• 工程和源码在本文档同级目录\src\01_Hello_world\下
• 第一打开工程时，需要自己点击软件上面窗口中带小串口的图标，打开Debug(printf) Viewer窗口
• 注意！文件使用了UTF-8编码，需要在Keil中进行设置才能正常显示中文，否则会显示乱码：Edit–>Configuation–>Encoding–>Encoding in UTF-8 without signature；因为GB2312在Git中会显示乱码，并且在Linux中使用GB2312会很不方便，从Linux和Windows中来回转时一不留神会用错误的编码报错导致中文丢失。

2）02_Keil_boot_comments

• 给Keil自带的boot加上注释
• 工程和源码在本文档同级目录\src\02_Keil_boot_comments\下
  • Keil自带的boot代码的汇编底层在Keil自带的工具包中，看不到，只注释能看到的C代码部分
  • Keil自带的boot代码的类汇编文件是.svt
  • Keil自带的头文件也在自己的工具包中，不能更改
  • 这个工程看不到boot的完整流程，下个工程会演示从第一行汇编代码引导到main.c的过程
  • 注意：ARMCM3_ac6.sct文件的注释使用了GB2312编码，已经配置了UTF-8的Keil中直接打开会显示乱码，其它的文件都是UTF-8格式

3）03_Self_assembler_boot

• 不使用官方自带的boot，自己用汇编写boot并引导C语言main()，成功打印输出，并编写注释，看到系统启动过程中的每一步。

• 工程和源码在本文档同级目录\src\03_Self_assembler_boot\下

  • 创建工程时，只选择选择CMSIS中的Core，不选择Device中的Startup。
  • ARM汇编的格式有两种：用Keil MDK ARM格式的汇编和GNU格式的汇编。
  • ARM格式的汇编关键字多为大写，编译使用armasm编译器和armclang编译器都可以；GNU格式关键字多为小写，要使用armclang 集成编译器；ARM的编译工具套件当前版本为ARM Compiler Version 6。
  • 我这里使用Keil MDK ARM格式的汇编，编译器让Keil自动识别文件自动选择，当前使用的是armclang。
  • Keil MDK ARM格式的汇编伪指令详见子文档《02_Keil_ARM汇编伪指令.md》

• 参考网址：

  • 【方辉专栏】ARM嵌入式编译器（十） GNU 汇编和 armasm 汇编代码介绍
  • 零基础学ARM：MDK和GNU伪指令区别
  • 基于ARM编译器版本5的工程迁移与适配到ARM编译器版本6.12 后续1 - 汇编代码处理问题
  • 从 Arm Compiler 5 迁移到 Arm Compiler 6

• 实际工程中将汇编分成了好几个文件，下面列出的源码先将汇编部分都放在一起，便于观看，实际使用的文件在工程的源码中列出：

; 使用Keil自动生成时，也可用纯C写Boot相关的配置

                INCLUDE YOUR_CONFIG.INC ; #include "YOUR_NAME.INC" 包含头文件
; 用户自定义宏定义
YOUR_CONFIG1    EQU 0x01    ; 类似于#define宏定义，用不同的配置选项配置程序
YOUR_CONFIG2    EQU 0x01

                PRESERVE8   ; 指定当前文件要求堆栈八字节对齐
                THUMB       ; 使用THUMB指令集，不使用ARM指令集

; 定义堆，堆是malloc主动分配内存的位置
Heap_Size       EQU 0       ; Heap_Size是MDK指定的堆空间长度名称；不用malloc分配的堆没什么用，所以长度设置为0
                IF Heap_Size != 0       ; IF ELSE ENDIF和同名宏定义的含义类似
                AREA     HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ; 申明开辟名为HEAP的内存，不写入值初始化，可读可写，2^3 8字节对齐
                EXPORT   __heap_base    ; MDK指定的名称，堆起始地址位置
                EXPORT   __heap_limit   ; MDK指定的名称，堆结束地址位置
__heap_base
Heap_Mem        SPACE    Heap_Size      ; 开始分配指定长度的内存
__heap_limit
                ENDIF

; 定义栈，栈是为全局变量自动分配空间的位置
Stack_Size      EQU      (4096)         ; Stack_Size是MDK指定的栈空间长度名称

                AREA     STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ; 申明开辟名为STACK的内存，不写入值初始化，可读可写，2^3 8字节对齐
                EXPORT   __stack_limit  ; MDK指定的名称，栈起始地址位置
                EXPORT   __initial_sp   ; MDK指定的名称，栈结束地址位置

__stack_limit
Stack_Mem       SPACE    Stack_Size     ; 开始分配指定长度的一片连续的内存
__initial_sp

                AREA     RESET, DATA, READONLY      ; 定义数据段，名字为RESET；上电后首先运行的函数地址
                EXPORT   __Vectors                  ; 输出ARM CMSIS中需要用到的一些标号，__Vectors函数在后续定义
                EXPORT   __Vectors_End
                EXPORT   __Vectors_Size
                EXPORT   Default_Interrupt_Handler  ; 中断入口
                IMPORT   __initial_sp

; 申明异常和中断入口
__Vectors       DCD      __initial_sp               ;     Top of Stack
                DCD      Reset_Handler              ;     Reset Handler
                DCD      NMI_Handler                ; -14 NMI Handler
                DCD      HardFault_Handler          ; -13 Hard Fault Handler
                DCD      MemManage_Handler          ; -12 MPU Fault Handler
                DCD      BusFault_Handler           ; -11 Bus Fault Handler
                DCD      UsageFault_Handler         ; -10 Usage Fault Handler
                DCD      0                          ;     Reserved
                DCD      0                          ;     Reserved
                DCD      0                          ;     Reserved
                DCD      0                          ;     Reserved
                DCD      SVC_Handler                ;  -5 SVCall Handler
                DCD      DebugMon_Handler           ;  -4 Debug Monitor Handler
                DCD      0                          ;     Reserved
                DCD      PendSV_Handler             ;  -2 PendSV Handler
                DCD      SysTick_Handler            ;  -1 SysTick Handler

                ; Interrupts
                DCD      Interrupt_Handler_0
                ; …… 省略其它中断 ……
                DCD      Interrupt_Handler_45       ; BCD：分配存储单元
__Vectors_End
__Vectors_Size  EQU      __Vectors_End - __Vectors

                ; 类似于宏定义函数
                MACRO                               ; 宏定义函数的开始 
                Set_Default_Handler $Handler_Name   ; 前一个时宏定义函数的名字，后面是要操作的对象
$Handler_Name   PROC                                ; 定义子程序
                EXPORT   $Handler_Name [WEAK]       ; 输出函数名；[WEAK]虚函数，可定义可不定义
                B        .                          ; 死循环
                ENDP                                ; 子程序定义结束
                MEND                                ; 宏定义函数结束

                AREA     |.text|, CODE, READONLY    ; 定义.text代码段，只读

                ; 申明默认的异常和中断处理函数
                Set_Default_Handler  Reset_Handler
                Set_Default_Handler  NMI_Handler
                Set_Default_Handler  HardFault_Handler
                Set_Default_Handler  MemManage_Handler
                Set_Default_Handler  BusFault_Handler
                Set_Default_Handler  UsageFault_Handler
                Set_Default_Handler  SVC_Handler
                Set_Default_Handler  DebugMon_Handler
                Set_Default_Handler  PendSV_Handler
                Set_Default_Handler  SysTick_Handler
                Set_Default_Handler  Default_Interrupt_Handler
                Set_Default_Handler  Interrupt_Handler_0
                ; …… 省略其它中断 ……
                Set_Default_Handler  Interrupt_Handler_45
 
               ; 各种程序
                ; Reset_Handler是板子上电后首先执行的位置，它由异常中断的跳转来实现
Reset_Handler   PROC                    ; 程序名 PROC 程序内容 ENDP 程序结束
                EXPORT   Reset_Handler
                IMPORT	 __hardwareInit ; 自己编写的C程序，在里面初始化各种硬件配置
                IMPORT   __main         ; main()函数入口
                BL       __hardwareInit ; 调用初始化硬件的汇编函数
                BL       __main         ; 跳转到main()函数
                BL       cpuStall       ; 程序退出后一直死循环
                ALIGN
                ENDP

cpuStall        PROC
                EXPORT   cpuStall
                B        .              ; 死循环
                ENDP
                END                     ; 通知编译器已经到了该源文件的结尾了

__hardwareInit  PROC
                EXPORT   __hwInitialize
                PUSH     {R0,R1,R2,R3,LR} ; 压栈
                ; 配置GPIO输出
                ; 配置PLL系统主频，将主频从晶振原有的频率提高到实际的工作频率
                ; 初始化串口
                ; 初始化其它外设
                POP      {R0,R1,R2,R3,LR} ; 弹栈
                BX       LR               ; 跳转到LR寄存器里的地址执行，也就是跳转回被调用的地方
                ALIGN
                ENDP

                ; 其它的.inc汇编头文件中要做的事
                ; 定义各个硬件模块的地址
                ; 定义所有中断号

• 参考网址：
  linux 汇编 preserve8,为什么ARM汇编程序前要加PRESERVE8
  ARM/THUMB汇编(补丁开发类)基础教程
  Thumb 指令集
  keil 环境下 AREA SUN ,NOINIT, READONLY , ALIGN=3 分别表示什么意思
  【ARM汇编】SPACE和DCD指令的区别
  STM32 stack_size和heap_size大小设置的意义
  堆(heap)和栈(stack)有什么区别??
  arm汇编指令-DCD
  ARM 汇编 伪指令 MACRO及MEND
  灵活使用ARM汇编的WEAK关键字
  ARM汇编中B .的实际意义
  【cm-3】汇编中的句子:AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2详解
  ARM汇编：汇编中proc、endp、ret、near、far指令用法
  ARM Thumb指令集完整列表

4）04_Uart_loopback

• 串口收发回环

5）……