一、ARM控制器一些启动简介
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。
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。
二、STM32启动文件简介
2.1启动文件的主要工作
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
2.2启动文件中的一些汇编指令:
2.3 一些启动代码分析
2.3.1 堆栈定义
1 Stack_SizeEQU 0x00000400
2
3AREASTACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
4 Stack_MemSPACE Stack_Size
5 __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。
之后定义堆。
初始化用户堆栈大小,这部分由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。
2.3.2定义一个数据段用于放置中断向量表
1AREA RESET, DATA, READONLY
2 EXPORT __Vectors
3 EXPORT __Vectors_End
4 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这三个标号可被外部的文件使用。
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。
下面这段话引用自《CM3权威指南CnR2》3.5—向量表,因为暂时没有找到关于M4 向量表的说明,但是CM4跟CM3 差不多,有很大的参考价值。
当CM3 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, CM3 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,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。
…………..(其他中断以此排)
举个例子,如果发生了异常11( SVC),则NVIC 会计算出偏移移量是11x4=0x2C,然后从那里取出服务例程的入口地址并跳入。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。
2.3.3 建立向量表
1__VectorsDCD __initial_sp;栈顶地址
2 DCD Reset_Handler ;复位程序地址
3 DCD NMI_Handler
4 DCD HardFault_Handler
5 DCD MemManage_Handler
6 DCD BusFault_Handler
7 DCD UsageFault_Handler
8 DCD 0 ; 0表示保留
9 DCD 0
10 DCD 0
11 DCD 0
12 DCD SVC_Handler
13 DCDDebugMon_Handler
24 ;限于篇幅,中间代码省略
25 DCD LTDC_IRQHandler
26 DCD LTDC_ER_IRQHandler
27 DCD DMA2D_IRQHandler
28 __Vectors_End
1 __Vectors_SizeEQU __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。(由此知道,中断函数的函数名都已经知道了)
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。
2.3.4复位程序
1AREA |.text|, CODE,READONLY
定义一个名称为.text 的代码段,可读。
1 Reset_HandlerPROC
2 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
3 IMPORT SystemInit
4 IMPORT __main
56
LDR R0, =SystemInit
7 BLX R0
8 LDR R0, =__main
9 BX R0
10 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。
__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。
2.3.5系统启动流程
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。2.4 具体的每行代码注释
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。第2行:定义栈空间大小为0x00000400个字节,即1Kbyte。
第3行:伪指令AREA
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,
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。