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相对于ARM上一代的主流ARM7/ARM9内核架构,新一代Cortex内核架构的启动方式有了比较大的变化。ARM7/ARM9内核的控制器在复位后,CPU会从存储空间的绝对地址0x000000取出第一条指令执行复位中断服务程序的方式启动,即固定了复位后的起始地址为0x000000(PC = 0x000000)同时中断向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3内核则正好相反,有3种情况: 1、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于SRAM区,即起始地址为0x2000000,同时复位后PC指针位于0x2000000处;2、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于FLASH区,即起始地址为0x8000000,同时复位后PC指针位于0x8000000处; 3、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于内置Bootloader区,本文不对这种情况做论述; 而Cortex-M3内核规定,起始地址必须存放堆顶指针,而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址,这样在Cortex-M3内核复位后,会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量,跳转执行复位中断服务程序。对比ARM7/ARM9内核,Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。 有了上述准备只是后,下面以STM32的2.02固件库提供的启动文件“stm32f10x_vector.s”为模板,对STM32的启动过程做一个简要而全面的解析。 程序清单一: ;文件“stm32f10x_vector.s”,其中注释为行号 DATA_IN_ExtSRAM EQU 0 ;1 Stack_Size EQU 0x00000400 ;2 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3 ;3 Stack_Mem SPACE Stack_Size ;4 __initial_sp ;5 Heap_Size EQU 0x00000400 ;6 AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3 ;7 __heap_base ;8 Heap_Mem SPACE Heap_Size ;9 __heap_limit ;10 THUMB ;11 PRESERVE8 ;12 IMPORT NMIException ;13 IMPORT HardFaultException ;14 IMPORT MemManageException ;15 IMPORT BusFaultException ;16 IMPORT UsageFaultException ;17 IMPORT SVCHandler ;18 IMPORT DebugMonitor ;19 IMPORT PendSVC ;20 IMPORT SysTickHandler ;21 IMPORT WWDG_IRQHandler ;22 IMPORT PVD_IRQHandler ;23 IMPORT TAMPER_IRQHandler ;24 IMPORT RTC_IRQHandler ;25 IMPORT FLASH_IRQHandler ;26 IMPORT RCC_IRQHandler ;27 IMPORT EXTI0_IRQHandler ;28 IMPORT EXTI1_IRQHandler ;29 IMPORT EXTI2_IRQHandler ;30 IMPORT EXTI3_IRQHandler ;31 IMPORT EXTI4_IRQHandler ;32 IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler ;33 IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler ;34 IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler ;35 IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler ;36 IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler ;37 IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler ;38 IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler ;39 IMPORT ADC1_2_IRQHandler ;40 IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;41 IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;42 IMPORT CAN_RX1_IRQHandler ;43 IMPORT CAN_SCE_IRQHandler ;44 IMPORT EXTI9_5_IRQHandler ;45 IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler ;46 IMPORT TIM1_UP_IRQHandler ;47 IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;48 IMPORT TIM1_CC_IRQHandler ;49 IMPORT TIM2_IRQHandler ;50 IMPORT TIM3_IRQHandler ;51 IMPORT TIM4_IRQHandler ;52 IMPORT I2C1_EV_IRQHandler ;53 IMPORT I2C1_ER_IRQHandler ;54 IMPORT I2C2_EV_IRQHandler ;55 IMPORT I2C2_ER_IRQHandler ;56 IMPORT SPI1_IRQHandler ;57 IMPORT SPI2_IRQHandler ;58 IMPORT USART1_IRQHandler ;59 IMPORT USART2_IRQHandler ;60 IMPORT USART3_IRQHandler ;61 IMPORT EXTI15_10_IRQHandler ;62 IMPORT RTCAlarm_IRQHandler ;63 IMPORT USBWakeUp_IRQHandler ;64 IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler ;65 IMPORT TIM8_UP_IRQHandler ;66 IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;67 IMPORT TIM8_CC_IRQHandler ;68 IMPORT ADC3_IRQHandler ;69 IMPORT FSMC_IRQHandler ;70 IMPORT SDIO_IRQHandler ;71 IMPORT TIM5_IRQHandler ;72 IMPORT SPI3_IRQHandler ;73 IMPORT UART4_IRQHandler ;74 IMPORT UART5_IRQHandler ;75 IMPORT TIM6_IRQHandler ;76 IMPORT TIM7_IRQHandler ;77 IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler ;78 IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler ;79 IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler ;80 IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;81 AREA RESET, DATA, READONLY ;82 EXPORT __Vectors ;83 __Vectors ;84 DCD __initial_sp ;85 DCD Reset_Handler ;86 DCD NMIException ;87 DCD HardFaultException ;88 DCD MemManageException ;89 DCD BusFaultException ;90 DCD UsageFaultException ;91 DCD 0 ;92 DCD 0 ;93 DCD 0 ;94 DCD 0 ;95 DCD SVCHandler ;96 DCD DebugMonitor ;97 DCD 0 ;98 DCD PendSVC ;99 DCD SysTickHandler ;100 DCD WWDG_IRQHandler ;101 DCD PVD_IRQHandler ;102 DCD TAMPER_IRQHandler ;103 DCD RTC_IRQHandler ;104 DCD FLASH_IRQHandler ;105 DCD RCC_IRQHandler ;106 DCD EXTI0_IRQHandler ;107 DCD EXTI1_IRQHandler ;108 DCD EXTI2_IRQHandler ;109 DCD EXTI3_IRQHandler ;110 DCD EXTI4_IRQHandler ;111 DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ;112 DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ;113 DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ;114 DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ;115 DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ;116 DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ;117 DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ;118 DCD ADC1_2_IRQHandler ;119 DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;120 DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;121 DCD CAN_RX1_IRQHandler ;122 DCD CAN_SCE_IRQHandler ;123 DCD EXTI9_5_IRQHandler ;124 DCD TIM1_BRK_IRQHandler ;125 DCD TIM1_UP_IRQHandler ;126 DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;127 DCD TIM1_CC_IRQHandler ;128 DCD TIM2_IRQHandler ;129 DCD TIM3_IRQHandler ;130 DCD TIM4_IRQHandler ;131 DCD I2C1_EV_IRQHandler ;132 DCD I2C1_ER_IRQHandler ;133 DCD I2C2_EV_IRQHandler ;134 DCD I2C2_ER_IRQHandler ;135 DCD SPI1_IRQHandler ;136 DCD SPI2_IRQHandler ;137 DCD USART1_IRQHandler ;138 DCD USART2_IRQHandler ;139 DCD USART3_IRQHandler ;140 DCD EXTI15_10_IRQHandler ;141 DCD RTCAlarm_IRQHandler ;142 DCD USBWakeUp_IRQHandler ;143 DCD TIM8_BRK_IRQHandler ;144 DCD TIM8_UP_IRQHandler ;145 DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;146 DCD TIM8_CC_IRQHandler ;147 DCD ADC3_IRQHandler ;148 DCD FSMC_IRQHandler ;149 DCD SDIO_IRQHandler ;150 DCD TIM5_IRQHandler ;151 DCD SPI3_IRQHandler ;152 DCD UART4_IRQHandler ;153 DCD UART5_IRQHandler ;154 DCD TIM6_IRQHandler ;155 DCD TIM7_IRQHandler ;156 DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ;157 DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ;158 DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ;159 DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;160 AREA |.text|, CODE, READONLY ;161 Reset_Handler PROC ;162 EXPORT Reset_Handler ;163 IF DATA_IN_ExtSRAM == 1 ;164 LDR R0,= 0x00000114 ;165 LDR R1,= 0x40021014 ;166 STR R0,[R1] ;167 LDR R0,= 0x000001E0 ;168 LDR R1,= 0x40021018 ;169 STR R0,[R1] ;170 LDR R0,= 0x44BB44BB ;171 LDR R1,= 0x40011400 ;172 STR R0,[R1] ;173 LDR R0,= 0xBBBBBBBB ;174 LDR R1,= 0x40011404 ;175 STR R0,[R1] ;176 LDR R0,= 0xB44444BB ;177 LDR R1,= 0x40011800 ;178 STR R0,[R1] ;179 LDR R0,= 0xBBBBBBBB ;180 LDR R1,= 0x40011804 ;181 STR R0,[R1] ;182 LDR R0,= 0x44BBBBBB ;183 LDR R1,= 0x40011C00 ;184 STR R0,[R1] ;185 LDR R0,= 0xBBBB4444 ;186 LDR R1,= 0x40011C04 ;187 STR R0,[R1] ;188 LDR R0,= 0x44BBBBBB ;189 LDR R1,= 0x40012000 ;190 STR R0,[R1] ;191 LDR R0,= 0x44444B44 ;192 LDR R1,= 0x40012004 ;193 STR R0,[R1] ;194 LDR R0,= 0x00001011 ;195 LDR R1,= 0xA0000010 ;196 STR R0,[R1] ;197 LDR R0,= 0x00000200 ;198 LDR R1,= 0xA0000014 ;199 STR R0,[R1] ;200 ENDIF ;201 IMPORT __main ;202 LDR R0, =__main ;203 BX R0 ;204 ENDP ;205 ALIGN ;206 IF :DEF:__MICROLIB ;207 EXPORT __initial_sp ;208 EXPORT __heap_base ;209 EXPORT __heap_limit ;210 ELSE ;211 IMPORT __use_two_region_memory ;212 EXPORT __user_initial_stackheap ;213 __user_initial_stackheap ;214 LDR R0, = Heap_Mem ;215 LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size) ;216 LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) ;217 LDR R3, = Stack_Mem ;218 BX LR ;219 ALIGN ;220 ENDIF ;221 END ;222 ENDIF ;223 END ;224 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 如程序清单一,STM32的启动代码一共224行,使用了汇编语言编写,这其中的主要原因下文将会给出交代。现在从第一行开始分析: 第1行:定义是否使用外部SRAM,为1则使用,为0则表示不使用。此语行若用C语言表达则等价于: #define DATA_IN_ExtSRAM 0 第2行:定义栈空间大小为0x00000400个字节,即1Kbyte。此语行亦等价于: #define Stack_Size 0x00000400 第3行:伪指令AREA,表示 第4行:开辟一段大小为Stack_Size的内存空间作为栈。 第5行:标号__initial_sp,表示栈空间顶地址。 第6行:定义堆空间大小为0x00000400个字节,也为1Kbyte。 第7行:伪指令AREA,表示 第8行:标号__heap_base,表示堆空间起始地址。 第9行:开辟一段大小为Heap_Size的内存空间作为堆。 第10行:标号__heap_limit,表示堆空间结束地址。 第11行:告诉编译器使用THUMB指令集。 第12行:告诉编译器以8字节对齐。 第13—81行:IMPORT指令,指示后续符号是在外部文件定义的(类似C语言中的全局变量声明),而下文可能会使用到这些符号。 第82行:定义只读数据段,实际上是在CODE区(假设STM32从FLASH启动,则此中断向量表起始地址即为0x8000000) 第83行:将标号__Vectors声明为全局标号,这样外部文件就可以使用这个标号。 第84行:标号__Vectors,表示中断向量表入口地址。 第85—160行:建立中断向量表。 第161行: 第162行:复位中断服务程序,PROC…ENDP结构表示程序的开始和结束。 第163行:声明复位中断向量Reset_Handler为全局属性,这样外部文件就可以调用此复位中断服务。 第164行:IF…ENDIF为预编译结构,判断是否使用外部SRAM,在第1行中已定义为“不使用”。 第165—201行:此部分代码的作用是设置FSMC总线以支持SRAM,因不使用外部SRAM因此此部分代码不会被编译。 第202行:声明__main标号。 第203—204行:跳转__main地址执行。 第207行:IF…ELSE…ENDIF结构,判断是否使用DEF:__MICROLIB(此处为不使用)。 第208—210行:若使用DEF:__MICROLIB,则将__initial_sp,__heap_base,__heap_limit亦即栈顶地址,堆始末地址赋予全局属性,使外部程序可以使用。 第212行:定义全局标号__use_two_region_memory。 第213行:声明全局标号__user_initial_stackheap,这样外程序也可调用此标号。 第214行:标号__user_initial_stackheap,表示用户堆栈初始化程序入口。 第215—218行:分别保存栈顶指针和栈大小,堆始地址和堆大小至R0,R1,R2,R3寄存器。 第224行:程序完毕。 以上便是STM32的启动代码的完整解析,接下来对几个小地方做解释: 1、 AREA指令:伪指令,用于定义代码段或数据段,后跟属性标号。其中比较重要的一个标号为“READONLY”或者“READWRITE”,其中“READONLY”表示该段为只读属性,联系到STM32的内部存储介质,可知具有只读属性的段保存于FLASH区,即0x8000000地址后。而“READONLY”表示该段为“可读写”属性,可知“可读写”段保存于SRAM区,即0x2000000地址后。由此可以从第3、7行代码知道,堆栈段位于SRAM空间。从第82行可知,中断向量表放置与FLASH区,而这也是整片启动代码中最先被放进FLASH区的数据。因此可以得到一条重要的信息:0x8000000地址存放的是栈顶地址__initial_sp,0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset_Handler(STM32使用32位总线,因此存储空间为4字节对齐)。 2、 DCD指令:作用是开辟一段空间,其意义等价于C语言中的地址符“&”。因此从第84行开始建立的中断向量表则类似于使用C语言定义了一个指针数组,其每一个成员都是一个函数指针,分别指向各个中断服务函数。 3、 标号:前文多处使用了“标号”一词。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。 4、 第202行中的__main标号并不表示C程序中的main函数入口地址,因此第204行也并不是跳转至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(对于程序清单一来说则是跳转__user_initial_stackheap标号进行初始化堆栈的),并初始化映像文件,最后跳转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++标准实时库所规定的——并且不能更改,因为C/C++标准实时库并不对外界开发源代码。因此,实际上在用户可见的前提下,程序在第204行后就跳转至.c文件中的main函数,开始执行C程序了。 至此可以总结一下STM32的启动文件和启动过程。首先对栈和堆的大小进行定义,并在代码区的起始处建立中断向量表,其第一个表项是栈顶地址,第二个表项是复位中断服务入口地址。然后在复位中断服务程序中跳转¬¬C/C++标准实时库的__main函数,完成用户堆栈等的初始化后,跳转.c文件中的main函数开始执行C程序。假设STM32被设置为从内部FLASH启动(这也是最常见的一种情况),中断向量表起始地位为0x8000000,则栈顶地址存放于0x8000000处,而复位中断服务入口地址存放于0x8000004处。当STM32遇到复位信号后,则从0x80000004处取出复位中断服务入口地址,继而执行复位中断服务程序,然后跳转__main函数,最后进入mian函数,来到C的世界。 |