STM32啟動檔案

澆築菜鳥發表於2022-05-30

一、復位電路

在瞭解啟動檔案之前需要明白STM32的復位中斷流程，STM32的復位分為上電覆位和手動復位，復位的電路圖如下所示：

注意： 圖中的復位電路是低電平復位，有的MCU是高電平復位。

  • 上電覆位：顧名思義，上電覆位就是STM32通電時，硬體自動復位的過程。從復位電路中可知，當晶片剛通電時電容兩端沒離子存在，所以處於充電過程，此時復位引腳等同於接地，這一過程成為上電覆位。

  • 手動復位：手動復位是通過按鍵強行將復位引腳拉低，使晶片產生復位中斷。

二、啟動檔案分析準備

  1. STM32的啟動檔案字尾是".s"的檔案，開啟專案是可以看到專案中有一個startup_stm32f103xb.s的檔案，如下圖所示：

    開啟檔案後可以很清晰的看到STM32的啟動流程，不過這裡需要一些簡單的彙編知識。沒學過彙編的小夥伴也不用怕，我們只需要簡單的分析即可，這裡只分析流程不進行彙編指令的編寫。

  2. 啟動檔案中常用的彙編指令

    指令 作用
    EQU 定義字元常量，相當於C語言的 define
    AREA 彙編一個新的程式碼段或資料段
    SPACE 分配記憶體空間
    PRESERVE8 當前檔案堆疊需按照 8 位元組對其
    EXPORT 宣告全域性屬性，可被外部檔案使用
    DCD 以字為單位分配記憶體，要求4位元組對齊，並初始化這些記憶體
    PROC 定義子程式，與 ENOP 成對使用，表示子程式結束
    WEAK 弱定義，如果外部檔案宣告瞭一個標號，則優先使用外部檔案定義的標號，如果外部檔案沒有定義，則使用當前位置的標號
    IMPORT 宣告標號來自外部檔案，跟 C 語言中的 EXTERN 關鍵字類似
    B 跳轉到一個標號
    END 到達檔案的末尾，檔案結束
    IF，ELSE，ENDIF 彙編條件分支語句
    LDR 從儲存器中載入字到一個暫存器中
    BL 跳轉到由暫存器/標號給出的地址，並把跳轉前的下條指令地址儲存到 LR
    BLX 跳轉到由暫存器給出的地址，並根據暫存器的LSE確定處理器的狀態，還要把跳轉前的下條指令地址儲存到LR
    BX 跳轉到由暫存器/標號給出的地址，不用返回

    注意： ALIGN是編譯器對指令或者資料的存放地址進行對齊，一般需要跟一個立即數，預設表示 4 位元組對齊。需要注意的是：這個不是ARM的指令，是編譯器的

  3. 啟動流程
    （1） 硬體上電覆位。
    （2） 初始化指標 SP=_initial_sp 和 PC == Reset_Handler。
    （3） 執行復位中斷服務程式。

三、啟動檔案的作用

  1. 初始化堆疊指標SP；
  2. 初始化程式計數器指標 PC；
  3. 設定堆、棧的大小；
  4. 設定異常向量表的入口；
  5. 配置外部SRAM作為資料儲存器（這個由使用者配置，一般的開發板沒有外部SRAM）
  6. 設定C庫的分支入口__main（最終呼叫mian函式）
  7. 使用庫函式專案時，啟動檔案還呼叫了SystemInit函式配置系統時鐘。

四、啟動程式碼詳解

  1. 開闢棧（stack）空間，用於區域性變數、函式呼叫、函式的引數等使用。棧的大小不能超過內部SRAM大小。

    Stack_Size		EQU     0x400

        AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp
    • EQU：表示巨集定義的偽指令，偽指令並不會生成二進位制程式程式碼，也不會引起變數空間分配。0x400表示棧大小，注意這裡是以位元組為單位。
    • AREA：開闢一段可讀寫的資料空間，段名為stack，按照 8 位元組對齊。AREA後面的關鍵字表示這個段的屬性。
      （1） STACK：表示這個段的名字，可以任意命名。
      （2） NOINIT：表示此資料段不需要填入初始化資料。
      （3） READWRITE：表示此段可讀寫。
      （4） ALIGN=3：表示首地址按照 2 的 3次方對齊，也就是按照8位元組對齊。
    • SPACE 這行指令告訴彙編器給STACK段分配0x400位元組的連續記憶體空間。
    • __initial_sp緊挨SPACE放置，表示棧的結束機制，棧是從高往低使用，所以結束地址就是棧頂地址。

  2. 開闢堆（heap）空間，主要用於動態記憶體分配，也就是malloc、calloc、realloc等函式分配的變數空間是在堆上。

    Heap_Size      EQU     0x200

        AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit
    • __heap_base：表示堆的開始地址
    • __heap_limit：表示堆的結束地址

  3. 檔案屬性定義

    PRESERVE8
THUMB

    ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA    RESET, DATA, READONLY
EXPORT  __Vectors
EXPORT  __Vectors_End
EXPORT  __Vectors_Size
    • PRESERVE8：指定當前檔案保持堆疊 8 位元組對齊
    • THUMB：表示後面的指令是 THUMB 指令集，CM4 採用的是 THUMB - 2指令集
    • AREA：定義一塊程式碼段，只讀，段名是RESET。READONLY表示只讀，預設就表示程式碼段了
    • EXPORT：語句將3個標號宣告為可被外部引用，主要提供給聯結器用於連線庫檔案或其他檔案

  4. 中斷向量表

    __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 detect
            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_2
            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     RTC_Alarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
            DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
__Vectors_End
__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors
    • __Vectors：為向量表其實地址
    • __Vectors_End：為向量表結束地址
    • __Vectors_Size：為向量表的大小。
    • DCD：表示分配1個4位元組的空間。每行DCD都會生成一個4位元組的二進位制程式碼。中斷向量表存放的實際上是中斷服務程式的入口地址，當異常（也就是中斷實踐）發生時，CPU的中斷系統會將相應的入口地址賦值給PC程式計數器，之後就開始執行中斷服務程式。

  5. 定義可讀程式碼段

    AREA    |.text|, CODE, READONLY
    • AREA：定義一個名為.test的可讀程式碼段

  6. 復位程式

    ; Reset handler
Reset_Handler    PROC
             EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
IMPORT  __main
IMPORT  SystemInit
             LDR     R0, =SystemInit
             BLX     R0
             LDR     R0, =__main
             BX      R0
             ENDP
    • 復位子程式是系統上電後第一個執行的程式，呼叫SystemInit()函式初始化系統時鐘，然後呼叫C庫函式__main。

  7. 中斷復位子程式

    ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP
HardFault_Handler\
                PROC
                EXPORT  HardFault_Handler          [WEAK]
                B       .
                ENDP
MemManage_Handler\
                PROC
                EXPORT  MemManage_Handler          [WEAK]
                B       .
                ENDP
BusFault_Handler\
                PROC
                EXPORT  BusFault_Handler           [WEAK]
                B       .
                ENDP
UsageFault_Handler\
                PROC
                EXPORT  UsageFault_Handler         [WEAK]
                B       .
                ENDP
SVC_Handler     PROC
                EXPORT  SVC_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP
DebugMon_Handler\
                PROC
                EXPORT  DebugMon_Handler           [WEAK]
                B       .
                ENDP
PendSV_Handler  PROC
                EXPORT  PendSV_Handler             [WEAK]
                B       .
                ENDP
SysTick_Handler PROC
                EXPORT  SysTick_Handler            [WEAK]
                B       .
                ENDP

Default_Handler PROC

                EXPORT  WWDG_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  PVD_IRQHandler             [WEAK]
                EXPORT  TAMPER_IRQHandler          [WEAK]
                EXPORT  RTC_IRQHandler             [WEAK]
                EXPORT  FLASH_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  RCC_IRQHandler             [WEAK]
                EXPORT  EXTI0_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  EXTI1_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  EXTI2_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  EXTI3_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  EXTI4_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel1_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel2_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel3_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel4_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel5_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel6_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA1_Channel7_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  ADC1_2_IRQHandler          [WEAK]
                EXPORT  USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  [WEAK]
                EXPORT  USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler [WEAK]
                EXPORT  CAN1_RX1_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  CAN1_SCE_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  EXTI9_5_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  TIM1_BRK_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  TIM1_UP_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  TIM1_TRG_COM_IRQHandler    [WEAK]
                EXPORT  TIM1_CC_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  TIM2_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  TIM3_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  TIM4_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  I2C1_EV_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  I2C1_ER_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  I2C2_EV_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  I2C2_ER_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  SPI1_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  SPI2_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  USART1_IRQHandler          [WEAK]
                EXPORT  USART2_IRQHandler          [WEAK]
                EXPORT  USART3_IRQHandler          [WEAK]
                EXPORT  EXTI15_10_IRQHandler       [WEAK]
                EXPORT  RTC_Alarm_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  USBWakeUp_IRQHandler       [WEAK]

WWDG_IRQHandler
PVD_IRQHandler
TAMPER_IRQHandler
RTC_IRQHandler
FLASH_IRQHandler
RCC_IRQHandler
EXTI0_IRQHandler
EXTI1_IRQHandler
EXTI2_IRQHandler
EXTI3_IRQHandler
EXTI4_IRQHandler
DMA1_Channel1_IRQHandler
DMA1_Channel2_IRQHandler
DMA1_Channel3_IRQHandler
DMA1_Channel4_IRQHandler
DMA1_Channel5_IRQHandler
DMA1_Channel6_IRQHandler
DMA1_Channel7_IRQHandler
ADC1_2_IRQHandler
USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler
USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
CAN1_RX1_IRQHandler
CAN1_SCE_IRQHandler
EXTI9_5_IRQHandler
TIM1_BRK_IRQHandler
TIM1_UP_IRQHandler
TIM1_TRG_COM_IRQHandler
TIM1_CC_IRQHandler
TIM2_IRQHandler
TIM3_IRQHandler
TIM4_IRQHandler
I2C1_EV_IRQHandler
I2C1_ER_IRQHandler
I2C2_EV_IRQHandler
I2C2_ER_IRQHandler
SPI1_IRQHandler
SPI2_IRQHandler
USART1_IRQHandler
USART2_IRQHandler
USART3_IRQHandler
EXTI15_10_IRQHandler
RTC_Alarm_IRQHandler
USBWakeUp_IRQHandler

                B       .

                ENDP
    • WEAK：如果外部檔案中定義了此中斷函式，優先使用外部檔案中的中斷函式，反之使用當前中斷函式。
    • "."：表示無限迴圈
    • 如果我們在使用某個外設的時候，開啟了某個中斷，但是又忘記編寫配套的中斷服務程式需或者函式名寫錯時，當相應的中斷產生時，程式就會跳轉到啟動檔案預先寫好的空中斷函式中，並且在這個空函式中無限迴圈，即程式就死在這裡。

  8. 使用者堆疊初始化

                   ALIGN

;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization
;*******************************************************************************
                 IF      :DEF:__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

                 END
    • ALIGN：對指令或者資料存放的地址進行對齊，後面會跟一個立即數。預設表示4位元組對齊。
    • __user_initial_stackheap：初始化棧和堆（使用預設C庫時，由__main函式進行呼叫）
    • 如果使用微庫時，呼叫__MICROLIB部分的程式，反之使用預設的C庫，然後初始化使用者堆疊大小。微庫的使用如下圖所示：

參考文獻

STM32啟動檔案————startup_stm32f10x_hd.s：https://wenku.baidu.com/view/3275eee00ba1284ac850ad02de80d4d8d15a0198.html

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