2019年09月28日 | 再造STM32---第十二部分：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。

12.1 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

12.2 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：

       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 10 启动文件使用的 ARM 汇编指令汇总

12.3 启动文件代码讲解：

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。

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。

PRESERVE8

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 的超级。

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。

表格 11 F429 向量表

代码 12 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 TAMP_STAMP_IRQHandler

;限于篇幅，中间代码省略

DCD LTDC_IRQHandler

DCD LTDC_ER_IRQHandler

DCD DMA2D_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。

4. 复位程序：

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_stm32f4xx.c 这个库文件总定义。主要作用是配置系统时钟，这里调用这个函数之后， F429 的系统时钟配被配置为 180M。

       __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：

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。

6. 用户堆栈初始化：

ALIGN

       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

IF :DEF:__MICROLIB

EXPORT __initial_sp

EXPORT __heap_base

EXPORT __heap_limit

ELSE

IMPORT __use_two_region_memory

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

12.4 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。 

       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。

       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。

       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 12-3 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。

12.5 总结：

1、启动文件的讲解 — 开始

1-注释的讲解

2-程序的讲解

3-如何查找资料（ ARM的汇编指令）

2、启动文件的作用

1-初始化堆栈指针SP

2-初始化PC指针，指向复位程序

3-初始化中断向量表

4-配置系统时钟

5-调用C库函数_main，最终进入C的世界

3、汇编程序如何注释

1-汇编注释用“；”

2-C语言注释用“//”戒者“/**/”

4、启动文件详解

① -Stack—栈

用于局部变量、函数调用、函数形参的开销

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戒者数据段

SPACE ： 用于分配一定大小的内存空间，单位为字节

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。

② -Heap—堆

堆用于动态内存的分配， malloc函数

PRESERVE8： 指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐

THUMB： 表示后面指令为 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 的超级。

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

DCD： 分配一个戒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。

③ -向量表

1-向量表实际上是一个32位的整型数组，一个元素对应一个异常（ ESR），数组元素存的就是ESR的入口地址。

2-向量表在复位后从FLASH的0地址开始，具体的初始化值请查询参考手册的中断章节。

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。

④ -复位程序

1-复位程序是上电后单片机执行的第一个程序

2-调用SystemInit函数配置系统时钟；调用C库函数_main，并最终进入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。

Cortex内核的指令

⑤ -中断服务程序

1-启动文件为我们写好了全部的中断服务程序，函数的名称必须与向量表里面初始化的名称一样。

2-这些程序都是空的，需要我们在C文件里面重新实现。如果我们写的中断服务程序的函数名写错了，程序也不会报错，而是会进入一个死循环。

⑥ -用户堆栈初始化

由标准的C库函数_main来完成。

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。

ALIGN： 对指令戒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。

启动文件里面涉及到的ARM指令