本章教程主要跟大家讲STM32H7的启动过程,这里的启动过程是指从CPU上电复位执行第1条指令开始(汇编文件)到进入C程序main()函数入口之间的部分。
启动过程相对来说还是比较重要的,理解了这个过程,对于以后分析程序还是有些帮助的,要不每次看到这个启动过程都会跳过,直接去看主程序了。
还有就是以后打算学习RTOS的话,对于这个过程必须有个了解,因为移植的时候涉及到中断向量表。
对初学者来说,看这个可能有些吃力,不过不要紧,随着自己做过一些简单的应用之后再来看这章,应该会有很多的帮助,由于我们的V7板子是基于STM32H7XXX,所以我们这里主要针对H7系列的启动过程做一下分析,对于F1,F4系列也是大致相同的。
1 初学者重要提示
相比F1,F4的启动方式,H7的启动方式更灵活些,只需一个boot引脚即可。但是一个引脚只能区分出两个状态,为了解决这个问题,H7专门配套了两个option bytes选项字节来解决此问题。
2 各个版本的启动文件介绍
这里各个版本的意思是指不同的编译器、不同的H7系列对应的启动文件。
2.1 不同编译器对应的启动文件
打开我们为本教程提供的工程文件,路径如下:
LibrariesCMSISDeviceSTSTM32H7xxSourceTemplates 在这个文件里面有ST官方为各个编译器提供的启动文件。
看了上面的截图,大家会问怎么没有KEIL MDK呢?其实已经被放在了文件夹arm里面,KEIL公司已经在2005年被ARM公司收购了。开发板大部分例程都是配套了MDK和IAR两个版本,这里重点给大家分析一下MDK的启动文件分析,IAR和MDK的大同小异。
2.2 不同H7系列对应的启动文件
先来看一下ARM文件夹里面的文件(2018-07-03,当前只有如下两个系列,后期ST会增加新的型号,相应的启动文件也会添加进来):
如果是H743系列,就使用startup_stm32h743xx.s文件,如果是H753系列,就使用startup_stm32h753xx文件。当前H743和753系列对应的型号如下:
我们再来打开IAR文件夹里面的文件:
多了一个linker文件夹,用于IAR配置的ICF文件:
而启动文件跟MDK里面的一样,一个是用H743系列,另一个是用于H753系列。
3 启动文件分析
鉴于V7开发板使用的是STM32H743XI,下面我们详细的分析一下启动文件startup_stm32h743xx.s。分析前,先掌握一个小技能,遇到不认识的指令或者关键词可以检索。
启动 MDK软件,在Help菜单点击 uVision Help
点击后弹出如下文件
在搜索栏输入你需要查询的单词进行查询,然后点击“列出主题”按钮,会将相关的知识点都罗列出来。此功能非常实用,建议熟练掌握。
下面先来看启动文件前面的介绍 (固件库版本:V1.2.0)
;******************** (C) COPYRIGHT 2017 STMicroelectronics ********************
;* File Name : startup_stm32h743xx.s
;* @author MCD Application Team
;* version : V1.2.0
;* Date : 29-December-2017
;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain.
;* This module performs:
;* - Set the initial SP
;* - Set the initial PC == Reset_Handler
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address
;* - Branches to __main in the C library (which eventually
;* calls main()).
;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>>
;*******************************************************************************
;
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");
; You may not use this file except in compliance with the License.
; You may obtain a copy of the License at:
;
; http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2
;
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
; See the License for the specific language governing permissions and
; limitations under the License.
;
;*******************************************************************************
启动文件是后缀为.s的汇编语言文本文件,每行前面的分号表示此行是注释行。
启动文件主要完成如下工作,即程序执行过程:
- 设置堆栈指针SP = __initial_sp。
- 设置PC指针 = Reset_Handler。
- 设置中断向量表。
- 配置系统时钟。
- 配置外部SRAM/SDRAM用于程序变量等数据存储(这是可选的)。
- 跳转到C库中的 __main ,最终会调用用户程序的main()函数。
Cortex-M内核处理器复位后,处于线程模式,指令权限是特权级别(最高级别),堆栈设置为使用主堆栈MSP。
3.1 复位序列
硬件复位之后,CPU 内的时序逻辑电路首先完成如下两个工作(程序代码下载到内部flash为例,flash首地址0x0800 0000)
将0x08000000位置存放的堆栈栈顶地址存放到SP中(MSP)。
将0x08000004 位置存放的向量地址装入 PC 程序计数器。
CPU 从 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 条指令开始执行程序,也就是开始执行复位中断服务程序 Reset_Handler。
复位中断服务程序会调用SystemInit()函数来配置系统时钟、配置FMC总线上的外部SRAM/SDRAM,然后跳转到C 库中__main 函数。由C库中的__main 函数完成用户程序的初始化工作(比如:变量赋初值等),最后由__main 函数调用用户写的 main()函数开始执行 C 程序。
13.3.2 代码分析
第1部分代码分析
下面的代码实现开辟栈(stack)空间,用于局部变量、函数调用、函数的参数等。
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
; Tailor this value to your application needs
; Stack Configuration
; Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
;
Stack_Size EQU 0x00000400
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
第7行:EQU 是表示宏定义的伪指令,类似于 C 语言中的#define。伪指令的意思是指这个“指令”并不会生成二进制程序代码,也不会引起变量空间分配。
0x00000400 表示栈大小,注意这里是以字节为单位。
第9行:开辟一段数据空间可读可写,段名 STACK,按照 8 字节对齐。ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。
STACK :表示这个段的名字,可以任意命名。
NOINIT:表示此数据段不需要填入初始数据。
READWRITE:表示此段可读可写。
ALIGN=3 :表示首地址按照 2 的 3 次方对齐,也就是按照 8 字节对齐(地址对8求余数等于0)。
第10行:SPACE 这行指令告诉汇编器给 STACK 段分配 0x00000400 字节的连续内存空间。
第11行:__initial_sp 紧接着 SPACE 语句放置,表示了栈顶地址。__initial_sp 只是一个标号,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。
第2部分代码分析
下面的代码实现开辟堆(heap)空间,主要用于动态内存分配,也就是说用 malloc,calloc, realloc等函数分配的变量空间是在堆上。
1. ; Heap Configuration
2. ; Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
3. ;
4.
5. Heap_Size EQU 0x00000200
6.
7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
8. __heap_base
9. Heap_Mem SPACE Heap_Size
10. __heap_limit
这几行语句和上面第1部分代码类似。分配一片连续的内存空间给名字叫 HEAP 的段,也就是分配堆空间。堆的大小为 0x00000200。
__heap_base 表示堆的开始地址。
__heap_limit 表示堆的结束地址。
第3部分代码分析
1. PRESERVE8
2. THUMB
3.
4.
5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
6. AREA RESET, DATA, READONLY
7. EXPORT __Vectors
8. EXPORT __Vectors_End
9. EXPORT __Vectors_Size
第1行:PRESERVE8 指定当前文件保持堆栈八字节对齐。
第2行:THUMB表示后面的指令是THUMB指令集 ,CM7采用的是THUMB - 2指令集。
第6行:AREA定义一块代码段,只读,段名字是 RESET。READONLY 表示只读,缺省就表示代码段了。
第7-9行:3 行EXPORT语句将 3 个标号申明为可被外部引用, 主要提供给链接器用于连接库文件或其他文件。
第4部分代码分析
1. __Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler
3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler
4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
5.
6. 中间部分省略未写
7.
8. DCD 0 ; Reserved
9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins
10.
11.
12. __Vectors_End
13.
14. __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
上面的这段代码是建立中断向量表,中断向量表定位在代码段的最前面。具体的物理地址由链接器的配置参数(IROM1 的地址)决定。如果程序在 Flash 运行,则中断向量表的起始地址是 0x08000000。
以MDK为例,就是如下配置选项:
DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码。中断向量表存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常(也即是中断事件)发生时,CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器,之后就开始执行中断服务程序。
第5部分代码分析
1. AREA |.text|, CODE, READONLY
2.
3. ; Reset handler
4. Reset_Handler PROC
5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]
6. IMPORT SystemInit
7. IMPORT __main
8.
9. LDR R0, =SystemInit
10. BLX R0
11. LDR R0, =__main