STM32 启动文件分析

     

   一般嵌入式开发流程就是先建立一个工程，再编写源文件，然后进行编译，把所有的 *.s文件和 *.c文件编译成一个 *.o文件，再对目标文件进行链接和定位，编译成功后会生成一个 *.hex文件和调试文件，接下来要进行调试，如果成功的话，就可以将它固化到 flash 里面去。

       当前的嵌入式应用程序开发过程里，C语言成为了绝大部分场合的最佳选择。如此一来main函数似乎成为了理所当然的起点——因为C程序往往从main函数开始执行。但一个经常会被忽略的问题是：微控制器（单片机）上电后，是如何寻找到并执行main函数的呢？很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址，因为使用C语言作为开发语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。相信读者都可以回答这个问题，答案也许大同小异，但肯定都有个关键词，叫“启动文件”。

 

        言归正传，在分析STM32启动代码之前，有必要先了解下CORTEX M3内核。

        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。

 

；文件“stm32f10x_vector.s”，其中注释为行号DATA_IN_ExtSRAM EQU 0 ；1Stack_Size EQU 0x00000400 ；2AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3 ；3Stack_Mem SPACE Stack_Size ；4__initial_sp ；5Heap_Size EQU 0x00000400 ；6AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3 ；7__heap_base ；8Heap_Mem SPACE Heap_Size ；9__heap_limit ；10THUMB ；11PRESERVE8 ；12IMPORT NMIException ；13IMPORT HardFaultException ；14IMPORT MemManageException ；15IMPORT BusFaultException ；16IMPORT UsageFaultException ；17IMPORT SVCHandler ；18IMPORT DebugMonitor ；19IMPORT PendSVC ；20IMPORT SysTickHandler ；21IMPORT WWDG_IRQHandler ；22IMPORT PVD_IRQHandler ；23IMPORT TAMPER_IRQHandler ；24IMPORT RTC_IRQHandler ；25IMPORT FLASH_IRQHandler ；26IMPORT RCC_IRQHandler ；27IMPORT EXTI0_IRQHandler ；28IMPORT EXTI1_IRQHandler ；29IMPORT EXTI2_IRQHandler ；30IMPORT EXTI3_IRQHandler ；31IMPORT EXTI4_IRQHandler ；32IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler ；33IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler ；34IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler ；35IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler ；36IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler ；37IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler ；38IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler ；39IMPORT ADC1_2_IRQHandler ；40IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ；41IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ；42IMPORT CAN_RX1_IRQHandler ；43IMPORT CAN_SCE_IRQHandler ；44IMPORT EXTI9_5_IRQHandler ；45IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler ；46IMPORT TIM1_UP_IRQHandler ；47IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler ；48IMPORT TIM1_CC_IRQHandler ；49IMPORT TIM2_IRQHandler ；50IMPORT TIM3_IRQHandler ；51IMPORT TIM4_IRQHandler ；52IMPORT I2C1_EV_IRQHandler ；53IMPORT I2C1_ER_IRQHandler ；54IMPORT I2C2_EV_IRQHandler ；55IMPORT I2C2_ER_IRQHandler ；56IMPORT SPI1_IRQHandler ；57IMPORT SPI2_IRQHandler ；58IMPORT USART1_IRQHandler ；59IMPORT USART2_IRQHandler ；60IMPORT USART3_IRQHandler ；61IMPORT EXTI15_10_IRQHandler ；62IMPORT RTCAlarm_IRQHandler ；63IMPORT USBWakeUp_IRQHandler ；64IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler ；65IMPORT TIM8_UP_IRQHandler ；66IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler ；67IMPORT TIM8_CC_IRQHandler ；68IMPORT ADC3_IRQHandler ；69IMPORT FSMC_IRQHandler ；70IMPORT SDIO_IRQHandler ；71IMPORT TIM5_IRQHandler ；72IMPORT SPI3_IRQHandler ；73IMPORT UART4_IRQHandler ；74IMPORT UART5_IRQHandler ；75IMPORT TIM6_IRQHandler ；76IMPORT TIM7_IRQHandler ；77IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler ；78IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler ；79IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler ；80IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler ；81AREA RESET, DATA, READONLY ；82EXPORT __Vectors ；83__Vectors ；84DCD __initial_sp ；85DCD Reset_Handler ；86DCD NMIException ；87DCD HardFaultException ；88DCD MemManageException ；89DCD BusFaultException ；90DCD UsageFaultException ；91DCD 0 ；92DCD 0 ；93DCD 0 ；94DCD 0 ；95DCD SVCHandler ；96DCD DebugMonitor ；97DCD 0 ；98DCD PendSVC ；99DCD SysTickHandler ；100DCD WWDG_IRQHandler ；101DCD PVD_IRQHandler ；102DCD TAMPER_IRQHandler ；103DCD RTC_IRQHandler ；104DCD FLASH_IRQHandler ；105DCD RCC_IRQHandler ；106DCD EXTI0_IRQHandler ；107DCD EXTI1_IRQHandler ；108DCD EXTI2_IRQHandler ；109DCD EXTI3_IRQHandler ；110DCD EXTI4_IRQHandler ；111DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ；112DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ；113DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ；114DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ；115DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ；116DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ；117DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ；118DCD ADC1_2_IRQHandler ；119DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ；120DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ；121DCD CAN_RX1_IRQHandler ；122DCD CAN_SCE_IRQHandler ；123DCD EXTI9_5_IRQHandler ；124DCD TIM1_BRK_IRQHandler ；125DCD TIM1_UP_IRQHandler ；126DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ；127DCD TIM1_CC_IRQHandler ；128DCD TIM2_IRQHandler ；129DCD TIM3_IRQHandler ；130DCD TIM4_IRQHandler ；131DCD I2C1_EV_IRQHandler ；132DCD I2C1_ER_IRQHandler ；133DCD I2C2_EV_IRQHandler ；134DCD I2C2_ER_IRQHandler ；135DCD SPI1_IRQHandler ；136DCD SPI2_IRQHandler ；137DCD USART1_IRQHandler ；138DCD USART2_IRQHandler ；139DCD USART3_IRQHandler ；140DCD EXTI15_10_IRQHandler ；141DCD RTCAlarm_IRQHandler ；142DCD USBWakeUp_IRQHandler ；143DCD TIM8_BRK_IRQHandler ；144DCD TIM8_UP_IRQHandler ；145DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ；146DCD TIM8_CC_IRQHandler ；147DCD ADC3_IRQHandler ；148DCD FSMC_IRQHandler ；149DCD SDIO_IRQHandler ；150DCD TIM5_IRQHandler ；151DCD SPI3_IRQHandler ；152DCD UART4_IRQHandler ；153DCD UART5_IRQHandler ；154DCD TIM6_IRQHandler ；155DCD TIM7_IRQHandler ；156DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ；157DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ；158DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ；159DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ；160AREA |.text|, CODE, READONLY ；161Reset_Handler PROC ；162EXPORT Reset_Handler ；163IF DATA_IN_ExtSRAM == 1 ；164LDR R0,= 0x00000114 ；165LDR R1,= 0x40021014 ；166STR R0,[R1] ；167LDR R0,= 0x000001E0 ；168LDR R1,= 0x40021018 ；169STR R0,[R1] ；170LDR R0,= 0x44BB44BB ；171LDR R1,= 0x40011400 ；172STR R0,[R1] ；173LDR R0,= 0xBBBBBBBB ；174LDR R1,= 0x40011404 ；175STR R0,[R1] ；176LDR R0,= 0xB44444BB ；177LDR R1,= 0x40011800 ；178STR R0,[R1] ；179LDR R0,= 0xBBBBBBBB ；180LDR R1,= 0x40011804 ；181STR R0,[R1] ；182LDR R0,= 0x44BBBBBB ；183LDR R1,= 0x40011C00 ；184STR R0,[R1] ；185LDR R0,= 0xBBBB4444 ；186LDR R1,= 0x40011C04 ；187STR R0,[R1] ；188LDR R0,= 0x44BBBBBB ；189LDR R1,= 0x40012000 ；190STR R0,[R1] ；191LDR R0,= 0x44444B44 ；192LDR R1,= 0x40012004 ；193STR R0,[R1] ；194LDR R0,= 0x00001011 ；195LDR R1,= 0xA0000010 ；196STR R0,[R1] ；197LDR R0,= 0x00000200 ；198LDR R1,= 0xA0000014 ；199STR R0,[R1] ；200ENDIF ；201IMPORT __main ；202LDR R0, =__main ；203BX R0 ；204ENDP ；205ALIGN ；206IF :DEF:__MICROLIB ；207EXPORT __initial_sp ；208EXPORT __heap_base ；209EXPORT __heap_limit ；210ELSE ；211IMPORT __use_two_region_memory ；212EXPORT __user_initial_stackheap ；213__user_initial_stackheap ；214LDR R0, = Heap_Mem ；215LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size) ；216LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) ；217LDR R3, = Stack_Mem ；218BX LR ；219ALIGN ；220ENDIF ；221END ；222ENDIF ；223END ；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。