14. 启动文件详解

本章参考资料《STM32F4xx 中文参考手册》第十章-中断和事件:表 46. STM32F42xxx 和 STM32F43xxx 的向量表;MDK中的帮助手册—ARM Development Tools:用来查询ARM的汇编指令和编译器相关的指令。

14.1. 启动文件简介

启动文件由汇编编写,是系统上电复位后第一个执行的程序。主要做了以下工作:

  1. 初始化堆栈指针SP=_initial_sp

  2. 初始化PC指针=Reset_Handler

  3. 初始化中断向量表

  4. 配置系统时钟

  5. 调用C库函数_main初始化用户堆栈,从而最终调用main函数去到C的世界

14.2. 查找ARM汇编指令

在讲解启动代码的时候,会涉及到ARM的汇编指令和Cortex内核的指令,有关Cortex内核的指令我们可以参考《CM3权威指南CnR2》第四章:指令集。剩下的ARM的汇编指令我们可以在MDK->Help->Uvision Help中搜索到,以EQU为例,检索如下:

图 14‑1 ARM 汇编指令索引

检索出来的结果会有很多,我们只需要看Assembler User Guide 这部分即可。下面列出了启动文件中使用到的ARM汇编指令,该列表的指令全部从ARM Development Tools这个帮助文档里面检索而来。其中编译器相关的指令WEAK和ALIGN为了方便也放在同一个表格了。

表格 14‑1 启动文件使用的ARM汇编指令汇总

指令名称

作用

EQU

给数字常量取一个符号名,相当于C语言中的define

AREA

汇编一个新的代码段或者数据段

SPACE

分配内存空间

PRESERVE8

当前文件堆栈需按照8字节对齐

EXPORT

声明一个标号具有全局属性,可被外部的文件使用

DCD

以字为单位分配内存,要求4字节对齐,并要求初始化这些内存

PROC

定义子程序,与ENDP成对使用,表示子程序结束

WEAK

弱定义,如果外部文件声明了一个标号,则优先使用外部文件定义的标号, 如果外部文件没有定义也不出错。要注意的是:这个不是ARM的指令,是 编译器的,这里放在一起只是为了方便。

IMPORT

声明标号来自外部文件,跟C语言中的EXTERN关键字类似

B

跳转到一个标号

ALIGN

编译器对指令或者数据的存放地址进行对齐,一般需要跟一个立即数,缺省 表示4字节对齐。要注意的是:这个不是ARM的指令,是编译器的,这里 放在一起只是为了方便。

END

到达文件的末尾,文件结束

IF,ELSE,ENDIF

汇编条件分支语句,跟C语言的if else类似

14.3. 启动文件代码讲解

14.3.1. Stack—栈

Stack_Size     EQU    0x00000400

            AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3

Stack_Mem      SPACE Stack_Size

__initial_sp

开辟栈的大小为0X00000400(1KB),名字为STACK,NOINIT即不初始化,可读可写,8(2^3)字节对齐。

栈的作用是用于局部变量,函数调用,函数形参等的开销,栈的大小不能超过内部SRAM的大小。如果编写的程序比较大,定义的局部变量很多,那么就需要修改栈的大小。如果某一天,你写的程序出现了莫名奇怪的错误,并进入了硬fault的时候,这时你就要考虑下是不是栈不够大,溢出了。

EQU:宏定义的伪指令,相当于等于,类似与C中的define。

AREA:告诉汇编器汇编一个新的代码段或者数据段。STACK表示段名, 这个可以任意命名;NOINIT表示不初始化;READWRITE表示可读可写,ALIGN=3,表示按照2^3对齐,即8字节对齐。

SPACE:用于分配一定大小的内存空间,单位为字节。这里指定大小等于Stack_Size。

标号__initial_sp紧挨着SPACE语句放置,表示栈的结束地址,即栈顶地址,栈是由高向低生长的。

14.3.2. Heap堆

Heap_Size     EQU 0x00000200

            AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3

__heap_base

            Heap_Mem SPACE Heap_Size

__heap_limit

开辟堆的大小为0X00000200(512字节),名字为HEAP,NOINIT即不初始化,可读可写,8(2^3)字节对齐。__heap_base表示对的起始地址,__heap_limit表示堆的结束地址。堆是由低向高生长的,跟栈的生长方向相反。

堆主要用来动态内存的分配,像malloc()函数申请的内存就在堆上面。这个在STM32里面用的比较少。

1 PRESERVE8

2 THUMB

PRESERVE8:指定当前文件的堆栈按照8字节对齐。

THUMB:表示后面指令兼容THUMB指令。THUBM是ARM以前的指令集,16bit, 现在Cortex-M系列的都使用THUMB-2指令集,THUMB-2是32位的,兼容16位和32位的指令,是THUMB的超集。

14.3.3. 向量表

AREA RESET, DATA, READONLY

EXPORT __Vectors

EXPORT __Vectors_End

EXPORT __Vectors_Size

定义一个数据段,名字为RESET,可读。并声明 __Vectors、__Vectors_End和__Vectors_Size这三个标号具有全局属性,可供外部的文件调用。

EXPORT:声明一个标号可被外部的文件使用,使标号具有全局属性。如果是IAR编译器,则使用的是GLOBAL这个指令。

当内核响应了一个发生的异常后,对应的异常服务例程(ESR)就会执行。为了决定 ESR 的入口地址, 内核使用了“向量表查表机制”。这里使用一张向量表。向量表其实是一个 WORD( 32 位整数)数组,每个下标对应一种异常,该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的,通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后,该寄存器的值为 0。因此,在地址 0 (即FLASH 地址0)处必须包含一张向量表,用于初始时的异常分配。要注意的是这里有个另类: 0 号类型并不是什么入口地址,而是给出了复位后 MSP 的初值。

../../_images/image42.png

代码 14‑1 向量表

  __Vectors DCD __initial_sp ;栈顶地址

            DCD Reset_Handler ;复位程序地址

            DCD NMI_Handler

            DCD HardFault_Handler

            DCD MemManage_Handler

            DCD BusFault_Handler

            DCD UsageFault_Handler

            DCD 0 ; 0 表示保留

            DCD 0

           DCD 0

           DCD 0

           DCD SVC_Handler

           DCD DebugMon_Handler

           DCD 0

           DCD PendSV_Handler

           DCD SysTick_Handler

           ;外部中断开始

           DCD WWDG_IRQHandler

           DCD PVD_IRQHandler

           DCD TAMPER_IRQHandler


           ;限于篇幅,中间代码省略

           DCD DMA2_Channel2_IRQHandler

           DCD DMA2_Channel3_IRQHandler

           DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler

           __Vectors_End __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors

__Vectors为向量表起始地址,__Vectors_End 为向量表结束地址,两个相减即可算出向量表大小。

向量表从FLASH的0地址开始放置,以4个字节为一个单位,地址0存放的是栈顶地址,0X04存放的是复位程序的地址,以此类推。从代码上看,向量表中存放的都是中断服务函数的函数名,可我们知道C语言中的函数名就是一个地址。

DCD:分配一个或者多个以字为单位的内存,以四字节对齐,并要求初始化这些内存。在向量表中,DCD分配了一堆内存,并且以ESR的入口地址初始化它们。

14.3.4. 复位程序

1 AREA |.text|, CODE, READONLY

定义一个名称为.text的代码段,可读。

Reset_Handler PROC

              EXPORT Reset_Handler [WEAK]

              IMPORT SystemInit

              IMPORT __main

              LDR R0, =SystemInit

              BLX R0

              LDR R0, =__main

              BX R0

             ENDP

复位子程序是系统上电后第一个执行的程序,调用SystemInit函数初始化系统时钟,然后调用C库函数_mian,最终调用main函数去到C的世界。

WEAK:表示弱定义,如果外部文件优先定义了该标号则首先引用该标号,如果外部文件没有声明也不会出错。 这里表示复位子程序可以由用户在其他文件重新实现,这里并不是唯一的。

IMPORT:表示该标号来自外部文件,跟C语言中的EXTERN关键字类似。这里表示SystemInit和__main这两个函数均来自外部的文件。

SystemInit()是一个标准的库函数,在system_stm32f103xe.c这个库文件中定义。主要作用是配置系统时钟,这里调用这个函数之后,单片机的系统时钟配被配置为72M。

__main是一个标准的C库函数,主要作用是初始化用户堆栈,最终调用main函数去到C的世界。这就是为什么我们写的程序都有一个main函数的原因。 如果我们在这里不调用__main,那么程序最终就不会调用我们C文件里面的main,如果是调皮的用户就可以修改主函数的名称, 然后在这里面IMPORT你写的主函数名称即可。

Reset_Handler PROC
              EXPORT  Reset_Handler    [WEAK]
              IMPORT  SystemInit
              IMPORT  user_main

              LDR     R0, =SystemInit
              BLX     R0
              LDR     R0, =user_main
              BX      R0
              ENDP

这个时候你在C文件里面写的主函数名称就不是main了,而是user_main了。

LDR、BLX、BX是CM4内核的指令,可在《CM3权威指南CnR2》第四章-指令集里面查询到,具体作用见下表:

指令名称

作用

LDR

从存储器中加载字到一个寄存器中

BL

跳转到由寄存器/标号给出的地址,并把跳转前的下条指令地址保存到LR

BLX

跳转到由寄存器给出的地址,并根据寄存器的LSE确定处理器的状态,还要把跳转前的下条指令地址保存到LR

BX

跳转到由寄存器/标号给出的地址,不用返回

14.3.5. 中断服务程序

在启动文件里面已经帮我们写好所有中断的中断服务函数,跟我们平时写的中断服务函数不一样的就是这些函数都是空的,真正的中断复服务程序需要我们在外部的C文件里面重新实现,这里只是提前占了一个位置而已。

如果我们在使用某个外设的时候,开启了某个中断,但是又忘记编写配套的中断服务程序或者函数名写错,那当中断来临的时,程序就会跳转到启动文件预先写好的空的中断服务程序中,并且在这个空函数中无线循环,即程序就死在这里。

NMI_Handler PROC ;系统异常

            EXPORT NMI_Handler [WEAK]

            B .

            ENDP


;限于篇幅,中间代码省略

SysTick_Handler PROC

                EXPORT SysTick_Handler [WEAK]

                B .

               ENDP


Default_Handler PROC ;外部中断

                EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]

                EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK]

                EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]


;限于篇幅,中间代码省略

LTDC_IRQHandler

LTDC_ER_IRQHandler

DMA2D_IRQHandler

                B .

                ENDP

B:跳转到一个标号。这里跳转到一个‘.’,即表示无线循环。

14.3.6. 用户堆栈初始化

ALIGN:对指令或者数据存放的地址进行对齐,后面会跟一个立即数。缺省表示4字节对齐。

;用户栈和堆初始化,由C库函数_main来完成

IF : DEF :__MICROLIB ;这个宏在KEIL里面开启

EXPORT __initial_sp

EXPORT __heap_base

EXPORT __heap_limit

ELSE

    IMPORT __use_two_region_memory ;这个函数由用户自己实现

    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

判断是否定义了__MICROLIB ,如果定义了则赋予标号__initial_sp(栈顶地址)、__heap_base(堆起始地址)、__heap_limit(堆结束地址)全局属性,可供外部文件调用。如果没有定义(实际的情况就是我们没定义__MICROLIB)则使用默认的C库,然后初始化用户堆栈大小,这部分有C库函数__main来完成,当初始化完堆栈之后,就调用main函数去到C的世界。

IF,ELSE,ENDIF:汇编的条件分支语句,跟C语言的if ,else类似

END:文件结束

14.4. 系统启动流程

下面这段话引用自《CM3权威指南CnR2》3.8—复位序列,CM4的复位序列跟CM3一样。—野火注。

在离开复位状态后, CM3 做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。

../../_images/image24.png

图 14‑2 复位序列

请注意,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 ARM 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,在 0 地址处提供 MSP 的初始值,然后紧跟着就是向量表。 向量表中的数值是 32 位的地址,而不是跳转指令。向量表的第一个条目指向复位后应执行的第一条指令,就是我们刚刚分析的Reset_Handler这个函数。

../../_images/image32.png

图 14‑3 初始化MSP和PC的一个范例

因为 CM3 使用的是向下生长的满栈,所以 MSP 的初始值必须是堆栈内存的末地址加 1。举例 来说,如果我们的堆栈区域在 0x20007C00-0x20007FFF 之间,那么 MSP 的初始值就必须是 0x20008000。

向量表跟随在 MSP 的初始值之后——也就是第 2 个表目。要注意因为 CM3 是在 Thumb 态下执行,所以向量表中的每个数值都必须把 LSB 置 1(也就是奇数)。正是因为这个原因,图 14‑3中使用0x101 来表达地址 0x100。当 0x100 处的指令得到执行后,就正式开始了程序的执行(即去到C的世界)。在此之前初始化 MSP 是必需的,因为可能第 1 条指令还没来得及执行,就发生了 NMI 或是其它 fault。 MSP 初始化好后就已经为它们的服务例程准备好了堆栈。

现在,程序就进入了我们熟悉的C世界,现在我们也应该明白main并不是系统执行的第一个程序了。