一文詳解STM32單片機(jī)的啟動(dòng)文件

一、概述

1、說(shuō)明

每一款芯片的啟動(dòng)文件都值得去研究，因?yàn)樗墒悄愕某绦蚺艿淖畛跻欢温罚豢梢圆恢?。通過(guò)了解啟動(dòng)文件，我們可以體會(huì)到處理器的架構(gòu)、指令集、中斷向量安排等內(nèi)容，是非常值得玩味的。

STM32作為一款高端Cortex-M3系列單片機(jī)，有必要了解它的啟動(dòng)文件。打好基礎(chǔ)，為以后優(yōu)化程序，寫(xiě)出高質(zhì)量的代碼最準(zhǔn)備。

2、整體過(guò)程概括

STM整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程是指從上電開(kāi)始，一直到運(yùn)行到main函數(shù)之間的這段過(guò)程，步驟為（以使用微庫(kù)為例）：

①上電后硬件設(shè)置SP、PC

②設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘

③軟件設(shè)置SP

④加載.data、.bss，并初始化棧區(qū)

⑤跳轉(zhuǎn)到C文件的main函數(shù)

3、整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程涉及的代碼

啟動(dòng)過(guò)程涉及的文件不僅包含startup_stm32f10x_hd.s，還涉及到了MDK自帶的連接庫(kù)文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（從生成的map文件可以看出來(lái)）。

二、程序在Flash上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在真正講解啟動(dòng)過(guò)程之前，先要講解程序下載到Flash上的結(jié)構(gòu)和程序運(yùn)行時(shí)（執(zhí)行到main函數(shù)）時(shí)的SRAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序在用戶Flash上的結(jié)構(gòu)如下圖所示。下圖是通過(guò)閱讀hex文件和在MDK下調(diào)試綜合提煉出來(lái)的。

MSP初始值編譯器生成，主堆棧的初始值

異常向量表不多說(shuō)

外部中斷向量表不多說(shuō)

代碼段存放代碼

初始化數(shù)據(jù)段.data

未初始化數(shù)據(jù)段.bss

加載數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)

加載數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)分別有4個(gè)，這里只講解加載數(shù)據(jù)段的參數(shù)，至于初始化棧的參數(shù)類似。

0x0800 033cFlash上的數(shù)據(jù)段（初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段）起始地址

0x2000 0000加載到SRAM上的目的地址

0x0000 000c數(shù)據(jù)段的總大小

0x0800 02f4調(diào)用函數(shù)_scatterload_copy

需要說(shuō)明的是初始化棧的函數(shù)--0x0800 0304與加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)不一樣，為_(kāi)scatterload_zeroinit，它的目的就是將?？臻g清零。

三、數(shù)據(jù)在SRAM上的結(jié)構(gòu)

程序運(yùn)行時(shí)（執(zhí)行到main函數(shù)）時(shí)的SRAM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

四、詳細(xì)過(guò)程分析

有了以上的基礎(chǔ)，現(xiàn)在詳細(xì)分析啟動(dòng)過(guò)程。

1、上電后硬件設(shè)置SP、PC

剛上電復(fù)位后，硬件會(huì)自動(dòng)根據(jù)向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定義如下：

調(diào)試現(xiàn)象如下：

看看我們的向量表內(nèi)容（通過(guò)J-Flash打開(kāi)hex文件）

硬件這時(shí)自動(dòng)從0x0800 0000位置處讀取數(shù)據(jù)賦給棧指針SP，然后自動(dòng)從0x0800 0004位置處讀取數(shù)據(jù)賦給PC，完成復(fù)位，結(jié)果為：

SP = 0x0200 0810

PC = 0x0800 0145

2、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘

上一步中令PC=0x0800 0145的地址沒(méi)有對(duì)齊，硬件自動(dòng)對(duì)齊到0x0800 0144，執(zhí)行SystemInit函數(shù)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘。

3、軟件設(shè)置SP

LDR   R0,=__main
BX R0

執(zhí)行上兩條之類，跳轉(zhuǎn)到__main程序段運(yùn)行，注意不是main函數(shù)，___main的地址是0x0800 0130。

可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，結(jié)果SP=0x2000 0810。

4、加載.data、.bss，并初始化棧區(qū)

BL.W     __scatterload_rt2

進(jìn)入__scatterload_rt2代碼段。

__scatterload_rt2:0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; 
@0x080001840x0800016A 4D07   LDR  r5,[pc,#28]  ; 
@0x080001880x0800016C E006    B   0x0800017C0x0800016E 68E0 LDR      
r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301  ORR      
r3,r0,#0x010x08000174 E8940007  LDM  r4,{r0-r2}0x08000178 4798   
BLX r30x0800017A 3410  ADDS  r4,r4,#0x100x0800017C 42AC   
CMP r4,r50x0800017E D3F6  BCC 0x0800016E0x08000180 F7FFFFDA  
BL.W   _main_init (0x08000138)

這段代碼是個(gè)循環(huán)（BCC 0x0800016e），實(shí)際運(yùn)行時(shí)候循環(huán)了兩次。第一次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)（_scatterload_copy）”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行（注意加載已初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段用的是同一個(gè)函數(shù)）；第二次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“初始化棧的函數(shù)（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行。相應(yīng)的代碼如下：

0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174  
0x08000178 4798      BLX      r3
當(dāng)然執(zhí)行這兩個(gè)函數(shù)的時(shí)候，還需要傳入?yún)?shù)。
至于參數(shù)，我們?cè)凇凹虞d數(shù)據(jù)段和初始化棧的參數(shù)”環(huán)節(jié)已經(jīng)闡述過(guò)了。
當(dāng)這兩個(gè)函數(shù)都執(zhí)行完后，結(jié)果就是“數(shù)據(jù)在SRAM上的結(jié)構(gòu)”所展示的圖。
最后，也把事實(shí)加載和初始化的兩個(gè)函數(shù)代碼奉上如下：
5、跳轉(zhuǎn)到C文件的main函數(shù)

_main_init:0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ;
@0x0800013C0x0800013A 4700      BX       r0

五、異常向量與中斷向量表

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
        AREA  RESET, DATA, READONLY
        EXPORT __Vectors
        EXPORT __Vectors_End
        EXPORT __Vectors_Size
__Vectors    DCD   __initial_sp        ; Top of Stack
        DCD   Reset_Handler       ; Reset Handler
        DCD   NMI_Handler        ; NMI Handler
        DCD   HardFault_Handler     ; Hard Fault Handler
        DCD   MemManage_Handler     ; MPU Fault Handler
        DCD   BusFault_Handler      ; Bus Fault Handler
        DCD   UsageFault_Handler     ; Usage Fault Handler
        DCD   0             ; Reserved
        DCD   0             ; Reserved
        DCD   0             ; Reserved
        DCD   0             ; Reserved
        DCD   SVC_Handler        ; SVCall Handler
        DCD   DebugMon_Handler      ; Debug Monitor Handler
        DCD   0             ; Reserved
        DCD   PendSV_Handler       ; PendSV Handler
        DCD   SysTick_Handler      ; SysTick Handler
        ; External Interrupts
        DCD   WWDG_IRQHandler      ; Window Watchdog
        DCD   PVD_IRQHandler       ; PVD through EXTI Line
        DCD   TAMPER_IRQHandler     ; Tamper
        DCD   RTC_IRQHandler       ; RTC
        DCD   FLASH_IRQHandler      ; Flash
        DCD   RCC_IRQHandler       ; RCC
        DCD   EXTI0_IRQHandler      ; EXTI Line 0
        DCD   EXTI1_IRQHandler      ; EXTI Line 1
        DCD   EXTI2_IRQHandler      ; EXTI Line 2
        DCD   EXTI3_IRQHandler      ; EXTI Line 3
        DCD   EXTI4_IRQHandler      ; EXTI Line 4
        DCD   DMA1_Channel1_IRQHandler  ; DMA1 Channel 1
        DCD   DMA1_Channel2_IRQHandler  ; DMA1 Channel 2
        DCD   DMA1_Channel3_IRQHandler  ; DMA1 Channel 3
        DCD   DMA1_Channel4_IRQHandler  ; DMA1 Channel 4
        DCD   DMA1_Channel5_IRQHandler  ; DMA1 Channel 5
        DCD   DMA1_Channel6_IRQHandler  ; DMA1 Channel 6
        DCD   DMA1_Channel7_IRQHandler  ; DMA1 Channel 7
        DCD   ADC1_2_IRQHandler     ; ADC1 & ADC2
        DCD   USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX
        DCD   USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0
        DCD   CAN1_RX1_IRQHandler    ; CAN1 RX1
        DCD   CAN1_SCE_IRQHandler    ; CAN1 SCE
        DCD   EXTI9_5_IRQHandler     ; EXTI Line 9..5
        DCD   TIM1_BRK_IRQHandler    ; TIM1 Break
        DCD   TIM1_UP_IRQHandler     ; TIM1 Update
        DCD   TIM1_TRG_COM_IRQHandler  ; TIM1 Trigger and Commutation
        DCD   TIM1_CC_IRQHandler     ; TIM1 Capture Compare
        DCD   TIM2_IRQHandler      ; TIM2
        DCD   TIM3_IRQHandler      ; TIM3
        DCD   TIM4_IRQHandler      ; TIM4
        DCD   I2C1_EV_IRQHandler     ; I2C1 Event
        DCD   I2C1_ER_IRQHandler     ; I2C1 Error
        DCD   I2C2_EV_IRQHandler     ; I2C2 Event
        DCD   I2C2_ER_IRQHandler     ; I2C2 Error
        DCD   SPI1_IRQHandler      ; SPI1
        DCD   SPI2_IRQHandler      ; SPI2
        DCD   USART1_IRQHandler     ; USART1
        DCD   USART2_IRQHandler     ; USART2
        DCD   USART3_IRQHandler     ; USART3
        DCD   EXTI15_10_IRQHandler    ; EXTI Line 15..10
        DCD   RTCAlarm_IRQHandler    ; RTC Alarm through EXTI Line
        DCD   USBWakeUp_IRQHandler    ; USB Wakeup from suspend
        DCD   TIM8_BRK_IRQHandler    ; TIM8 Break
        DCD   TIM8_UP_IRQHandler     ; TIM8 Update
        DCD   TIM8_TRG_COM_IRQHandler  ; TIM8 Trigger and Commutation
        DCD   TIM8_CC_IRQHandler     ; TIM8 Capture Compare
        DCD   ADC3_IRQHandler      ; ADC3
        DCD   FSMC_IRQHandler      ; FSMC
        DCD   SDIO_IRQHandler      ; SDIO
        DCD   TIM5_IRQHandler      ; TIM5
        DCD   SPI3_IRQHandler      ; SPI3
        DCD   UART4_IRQHandler      ; UART4
        DCD   UART5_IRQHandler      ; UART5
        DCD   TIM6_IRQHandler      ; TIM6
        DCD   TIM7_IRQHandler      ; TIM7
        DCD   DMA2_Channel1_IRQHandler  ; DMA2 Channel1
        DCD   DMA2_Channel2_IRQHandler  ; DMA2 Channel2
        DCD   DMA2_Channel3_IRQHandler  ; DMA2 Channel3
        DCD   DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End
這段代碼就是定義異常向量表，在之前有一個(gè)“J-Flash打開(kāi)hex文件”的圖片跟這個(gè)表格是一一對(duì)應(yīng)的。編譯器根據(jù)我們定義的函數(shù) Reset_Handler、NMI_Handler等，在連接程序階段將這個(gè)向量表填入這些函數(shù)的地址。

startup_stm32f10x_hd.s內(nèi)容：
NMI_Handler   PROC
         EXPORT  NMI_Handler         [WEAK]
         B    .
         ENDP
stm32f10x_it.c中內(nèi)容：void NMI_Handler(void)
{
}

在啟動(dòng)匯編文件中已經(jīng)定義了函數(shù)NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允許我們?cè)僦匦露x一個(gè)NMI_Handler函數(shù)，程序在編譯的時(shí)候會(huì)將匯編文件中的弱函數(shù)“覆蓋掉”--兩個(gè)函數(shù)的代碼在連接后都存在，只是在中斷向量表中的地址填入的是我們重新定義函數(shù)的地址。

六、使用微庫(kù)與不使用微庫(kù)的區(qū)別

使用微庫(kù)就意味著我們不想使用MDK提供的庫(kù)函數(shù)，而想用自己定義的庫(kù)函數(shù)，比如說(shuō)printf函數(shù)。那么這一點(diǎn)是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？我們以printf函數(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

1、不使用微庫(kù)而使用系統(tǒng)庫(kù)

在連接程序時(shí)，肯定會(huì)把系統(tǒng)中包含printf函數(shù)的庫(kù)拿來(lái)調(diào)用參與連接，即代碼段有系統(tǒng)庫(kù)的參與。

在啟動(dòng)過(guò)程中，不使用微庫(kù)而使用系統(tǒng)庫(kù)在初始化棧的時(shí)候，還需要初始化堆（猜測(cè)系統(tǒng)庫(kù)需要用到堆），而使用微庫(kù)則是不需要的。

IF __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

另外，在執(zhí)行__main函數(shù)的過(guò)程中，不僅需要完成“使用微庫(kù)”情況下的所有工作，額外的工作還需要進(jìn)行庫(kù)的初始化，才能使用系統(tǒng)庫(kù)（這一部分我還沒(méi)有深入探討）。附上__main函數(shù)的內(nèi)容：

__main:0x08000130 F000F802  BL.W     
__scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)   
__rt_entry_sh (0x080001B0)
__scatterload_rt2_thumb_only:0x08000138 A00A  
__scatterload_null:0x08000146 45DA   CMP   
__scatterload_copy:0x0800016C 3A10      SUBS    
__scatterload_zeroinit:0x08000188 2300  0001A2 
__rt_lib_init:0x080001A4 B51F      PUSH       
__rt_lib_init_user_alloc_1:0x080001AA BD1F      
__rt_lib_shutdown:0x080001AC B510   PUSH  
__rt_lib_shutdown_user_alloc_1:0x080001AE BD10   
__rt_entry_sh:0x080001B0 F000F82F  BL.W
__rt_entry_postsh_1:0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     
__rt_entry_postli_1:0x080001BA F000F919  BL.W

2、使用微庫(kù)而不使用系統(tǒng)庫(kù)

在程序連接時(shí)，不會(huì)把包含printf函數(shù)的庫(kù)連接到終極目標(biāo)文件中，而使用我們定義的庫(kù)。啟動(dòng)時(shí)需要完成的工作就是之前論述的步驟1、2、3、4、5，相比使用系統(tǒng)庫(kù)，啟動(dòng)過(guò)程步驟更少。