详解STM32启动过程

发布时间:2023-06-20  

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。
 41a60bb6-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png 
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):
 41c0200a-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png 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:
  41d8d2ee-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png
 我们再来打开IAR文件夹里面的文件:
 41f034fc-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png 多了一个linker文件夹,用于IAR配置的ICF文件:
 41ffa1da-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png 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

420eb094-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png 


点击后弹出如下文件

 426accbc-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png

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。

428d58b8-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png


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:

42ac403e-6309-11ed-8abf-dac502259ad0.png


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

文章来源于:电子工程世界    原文链接
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