STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)

目录

  • 一、什么是启动文件
  • 二、STM32的启动方式
  • 三、启动文件分析(MDK环境)
    • 3.1 开辟栈空间和堆空间
    • 3.2 中断向量表部分
    • 3.3 Reset_Handler 系统启动
    • 3.4 中断服务程序
    • 3.5 初始化堆栈
  • 四、启动文件分析(GCC环境)
    • 4.1 `.ld` 链接文件
      • 4.1.1 开辟栈空间和堆空间
      • 4.1.2 指定布局
    • 4.2 `.S` 文件
      • 4.2.1 基本说明
      • 4.2.2 Reset_Handler
      • 4.2.3 将data段从flash 移动到 ram
      • 4.2.4 跳转到SystemInit 和 main
      • 4.2.5 中断向量表部分

一、什么是启动文件

无论是是何种MCU,从简单的51,MSP430,到ARM9,ARM11,A7 都必须有启动文件,因为对于嵌入式开发,绝大部分情况都是使用C语言,而C语言一般都是从main 函数开始,但是对于MCU来说,他是如何找到并执行main函数的,就需要用到“启动文件”,就是各种 startup_xxxx.s 文件。
启动文件是使用机器认识的汇编语言,经过一些必要的配置,最终能够调用 main 函数,使得用户程序能够在 MCU上正常运行起来的必备文件。

二、STM32的启动方式

我在另一篇博文中有介绍过STM32 的启动方式 :
参考博文:STM32的内存管理相关(内存架构,内存管理,map文件分析)
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第1张图片
Cortex-M3 内核规定,起始地址必须存放栈顶指针,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。Cortex-M3 内核固定了中断向量表的位置, 但是起始地址是可变化的。

三、启动文件分析(MDK环境)

这篇文章我们通过分析STM32 的startup_xxxx.s 文件,来了解STM32 的启动过程,
注意,本文以 MDK环境下的 startup_stm32xxxx.s为模板讲解,不同编译器下的启动文件不同。

但是所做的工作都是一样的:

  1. 设置堆栈指针 SP = _initial_sp
  2. 设置PC指针 = Reset_Handler
  3. 配置系统时钟
  4. 配置外部 SRAM 用于程序变量等数据存储(可选)
  5. 调用C库的 _main 函数,最终调用main函数

3.1 开辟栈空间和堆空间

代码的开始,就是开辟栈空间,用于局部变量,函数调用,函数参数等。
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第2张图片
上图一些说明(截图忘了把行号带上= =! 凑合看,后面带上):

  • EQU 是伪指令。伪指令的意思是指这个 “指令” 并不会生产二进制程序代码,也不会引起变量空间分配。
  • 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,所以栈空间是8字节对齐的
  • SPACE 给 STACK 段分配 Stack_Size 的空间。
  • __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位置。
    此处的 __initial_sp 紧接着 SPACE 语句放置,表示了栈顶地址。

接下来是开辟堆空间,主要用于动态内存分配,使用malloc,calloc等函数分配的变量空间是在堆上的。
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第3张图片
这段的理解和上面分配栈空间类似。堆的大小为 0x200。

堆和栈的属性都是 READWRITE 可读写,可读写段保存于 SRAM区,即地址0x2000 0000 地址后。

3.2 中断向量表部分

下面要准备建立中断向量表:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第4张图片

  • 上图中的 AREA 定义了一段名为 RESET 的 READONLY 只读数据段,只读属性保存在 Flash 区(如果STM32从Flash启动,则此中断向量表的地址为0x0800 0000)
  • 最后 EXPORT 指令,是使得 标号 可以被外部文件调用
    对应的有个 IMPORT 指令,指示后续符号是在外部文件定义的,外部文件的函数供汇编文件调用
  • 标号__Vectors,表示中断向量表入口地址
    标号 __Vectors_End,表示中断向量表的结束地址
    标号__Vectors_Size,表示中断向量表的大号

开始建立中断向量表:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第5张图片
中间中断向量省略。。。。。。。

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第6张图片

  • 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 “&” 。
    中断向量表的建立类似于使用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。

3.3 Reset_Handler 系统启动

系统上电或者复位后首先执行的代码就是复位中断服务函数 Reset_Handler:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第7张图片

  • 图中的 Reset_Handler 中断服务函数使用了WEAK申明,说明我们在外部可以自定义 Reset_Handler 函数
  • PROC、ENDP这一对伪指令把程序分为若干个过程,是程序结构更加清晰
  • _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(跳转_user_initial_stackheap标号进行初始化堆栈),并初始化映像文件,最后跳转到C程序中的main函数。这也正解释了为什么所有的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。

3.4 中断服务程序

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第8张图片
中间中断服务程序省略。。。。。。。
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第9张图片
中间中断服务程序省略。。。。。。。

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第10张图片
上面的这些不管是系统的中断服务程序还是外设的中断服务程序,都是_WEAK申明,其实我们写中断服务函数的时候,都会自己实现,比如F1中,我们在stm32f1xx_it.c文件中实现使用到的中断服务函数:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第11张图片

3.5 初始化堆栈

文件最后就是堆栈的初始化工作:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第12张图片

四、启动文件分析(GCC环境)

GCC环境下STM32 的启动出除了需要 startup_xxxx.s 文件,还需要一个链接文件 .ld 文件:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第13张图片

我们以上图中的工程文件为例来说明,平台 STM32L051C8T6,为了与上面MDK下的有对应关系,我们还是尽量按照上面的顺序来。

因为有了上面的介绍,很多东西看起来就简单多了,所以主要是以图片形式把一些重要的地方给予说明。

4.1 .ld 链接文件

先从STM32L051C8Tx_FLASH.ld 文件来看,链接文件主要制定了入口函数,堆栈大小和数据段的整体布局。

4.1.1 开辟栈空间和堆空间

指定入口地址,开辟栈空间和堆空间:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第14张图片

4.1.2 指定布局

指定各数据段的布局:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第15张图片

4.2 .S 文件

注意下面说明的行号,都是按照顺序从上往下说明的。

4.2.1 基本说明

startup_stm32l051xx.s开头部分是基本说明:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第16张图片

4.2.2 Reset_Handler

Reset_Handler 是程序最开始执行的地方,设置栈顶指针,:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第17张图片

4.2.3 将data段从flash 移动到 ram

上面的 Reset_Handler 跳转过来执行的事情,就是搬运data段,处理bss段的事情:

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第18张图片
上面为什么要搬运,不懂的可以参考博文:

STM32的内存管理相关(内存架构,内存管理,map文件分析)

想要完全看懂,一些基本的汇编语言的意思可以参考博文:

ARM 内核寄存器 和 基本汇编语言讲解

4.2.4 跳转到SystemInit 和 main

回过头来看一下前面讲到的启动文件所做的工作:

  1. 设置堆栈指针 SP = _initial_sp
  2. 设置PC指针 = Reset_Handler
  3. 配置系统时钟
  4. 配置外部 SRAM 用于程序变量等数据存储(可选)
  5. 调用C库的 _main 函数,最终调用main函数

最终这里也是跳转到了main函数:
STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第19张图片

4.2.5 中断向量表部分

STM32的启动过程 — startup_xxxx.s文件解析(MDK和GCC双环境)_第20张图片

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