第14章 启动文件详解
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本章参考资料《STM32F4xx 中文参考手册》第十章-中断和事件：表 46. STM32F42xxx 和 STM32F43xxx 的向量表；MDK中的帮助手册—ARM Development Tools：用来查询ARM的汇编指令和编译器相关的指令。
14.1 启动文件简介
启动文件由汇编编写，是系统上电复位后第一个执行的程序。主要做了以下工作：
1、初始化堆栈指针SP=_initial_sp
2、初始化PC指针=Reset_Handler
3、初始化中断向量表
4、配置系统时钟
5、调用C库函数_main初始化用户堆栈，从而最终调用main函数去到C的世界
14.2 查找ARM汇编指令
在讲解启动代码的时候，会涉及到ARM的汇编指令和Cortex内核的指令，有关Cortex内核的指令我们可以参考《CM3权威指南CnR2》第四章：指令集。剩下的ARM的汇编指令我们可以在MDK->Help->Uvision Help中搜索到，以EQU为例，检索如下：
图 141 ARM 汇编指令索引
检索出来的结果会有很多，我们只需要看Assembler User Guide 这部分即可。下面列出了启动文件中使用到的ARM汇编指令，该列表的指令全部从ARM Development Tools这个帮助文档里面检索而来。其中编译器相关的指令WEAK和ALIGN为了方便也放在同一个表格了。
表格 10 启动文件使用的ARM汇编指令汇总
|
指令名称 |
作用 |
|
EQU |
给数字常量取一个符号名，相当于C语言中的define |
|
AREA |
汇编一个新的代码段或者数据段 |
|
SPACE |
分配内存空间 |
|
PRESERVE8 |
当前文件堆栈需按照8字节对齐 |
|
EXPORT |
声明一个标号具有全局属性，可被外部的文件使用 |
|
DCD |
以字为单位分配内存，要求4字节对齐，并要求初始化这些内存 |
|
PROC |
定义子程序，与ENDP成对使用，表示子程序结束 |
|
WEAK |
弱定义，如果外部文件声明了一个标号，则优先使用外部文件定义的标号，如果外部文件没有定义也不出错。要注意的是：这个不是ARM的指令，是编译器的，这里放在一起只是为了方便。 |
|
IMPORT |
声明标号来自外部文件，跟C语言中的EXTERN关键字类似 |
|
B |
跳转到一个标号 |
|
ALIGN |
编译器对指令或者数据的存放地址进行对齐，一般需要跟一个立即数，缺省表示4字节对齐。要注意的是：这个不是ARM的指令，是编译器的，这里放在一起只是为了方便。 |
|
END |
到达文件的末尾，文件结束 |
|
IF,ELSE,ENDIF |
汇编条件分支语句，跟C语言的if else类似 |
14.3 启动文件代码讲解
1. Stack—栈
1 Stack_Size EQU
0x00000400
2
3 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
4 Stack_Mem SPACE Stack_Size
5 __initial_sp
开辟栈的大小为0X00000400（1KB），名字为STACK，NOINIT即不初始化，可读可写，8（2^3）字节对齐。
栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM的大小。如果编写的程序比较大，定义的局部变量很多，那么就需要修改栈的大小。如果某一天，你写的程序出现了莫名奇怪的错误，并进入了硬fault的时候，这时你就要考虑下是不是栈不够大，溢出了。
EQU：宏定义的伪指令，相当于等于，类似与C中的define。
AREA：告诉汇编器汇编一个新的代码段或者数据段。STACK表示段名，这个可以任意命名；NOINIT表示不初始化；READWRITE表示可读可写，ALIGN=3，表示按照2^3对齐，即8字节对齐。
SPACE：用于分配一定大小的内存空间，单位为字节。这里指定大小等于Stack_Size。
标号__initial_sp紧挨着SPACE语句放置，表示栈的结束地址，即栈顶地址，栈是由高向低生长的。
2. Heap堆
1 Heap_Size EQU
0x00000200
2
3 AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
4 __heap_base
5 Heap_Mem SPACE Heap_Size
6 __heap_limit
开辟堆的大小为0X00000200（512字节），名字为HEAP，NOINIT即不初始化，可读可写，8（2^3）字节对齐。__heap_base表示对的起始地址，__heap_limit表示堆的结束地址。堆是由低向高生长的，跟栈的生长方向相反。
堆主要用来动态内存的分配，像malloc()函数申请的内存就在堆上面。这个在STM32里面用的比较少。
1 PRESERVE8
2 THUMB
PRESERVE8：指定当前文件的堆栈按照8字节对齐。
THUMB：表示后面指令兼容THUMB指令。THUBM是ARM以前的指令集，16bit，现在Cortex-M系列的都使用THUMB-2指令集，THUMB-2是32位的，兼容16位和32位的指令，是THUMB的超级。
3. 向量表
1 AREA RESET, DATA, READONLY
2 EXPORT __Vectors
3 EXPORT __Vectors_End
4 EXPORT __Vectors_Size
定义一个数据段，名字为RESET，可读。并声明__Vectors、__Vectors_End和__Vectors_Size这三个标号具有全局属性，可供外部的文件调用。
EXPORT：声明一个标号可被外部的文件使用，使标号具有全局属性。如果是IAR编译器，则使用的是GLOBAL这个指令。
当内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程(ESR)就会执行。为了决定ESR 的入口地址，内核使用了"向量表查表机制"。这里使用一张向量表。向量表其实是一个WORD（32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为0。因此，在地址0 （即FLASH 地址0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。要注意的是这里有个另类：0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后MSP 的初值。
表格 11 F429向量表
|
编号 |
优先级 |
优先级类型 |
名称 |
说明 |
地址 |
|
- |
- |
- |
保留（实际存的是MSP地址） |
0X0000 0000 |
|
|
-3 |
固定 |
Reset |
复位 |
0X0000 0004 |
|
|
-2 |
固定 |
NMI |
不可屏蔽中断。 RCC 时钟安全系统 |
0X0000 0008 |
|
|
-1 |
固定 |
HardFault |
所有类型的错误 |
0X0000 000C |
|
|
0 |
可编程 |
MemManage |
存储器管理 |
0X0000 0010 |
|
|
1 |
可编程 |
BusFault |
预取指失败，存储器访问失败 |
0X0000 0014 |
|
|
2 |
可编程 |
UsageFault |
未定义的指令或非法状态 |
0X0000 0018 |
|
|
- |
- |
- |
保留 |
0X0000 001C- 0X0000 002B |
|
|
3 |
可编程 |
SVCall |
通过 SWI 指令调用的系统服务 |
0X0000 002C |
|
|
4 |
可编程 |
Debug Monitor |
调试监控器 |
0X0000 0030 |
|
|
- |
- |
- |
保留 |
0X0000 0034 |
|
|
5 |
可编程 |
PendSV |
可挂起的系统服务 |
0X0000 0038 |
|
|
6 |
可编程 |
SysTick |
系统嘀嗒定时器 |
0X0000 003C |
|
|
0 |
7 |
可编程 |
- |
窗口看门狗中断 |
0X0000 0040 |
|
1 |
8 |
可编程 |
PVD |
连接EXTI 线的可编程电压检测中断 |
0X0000 0044 |
|
2 |
9 |
可编程 |
TAMP_STAMP |
连接EXTI 线的入侵和时间戳中断 |
0X0000 0048 |
|
中间部分省略，详情请参考STM32F4xx 中文参考手册》第十章-中断和事件-向量表部分 |
|||||
|
84 |
91 |
可编程 |
SPI4 |
SPI4全局中断 |
0X0000 0190 |
|
85 |
92 |
可编程 |
SPI5 |
SPI5全局中断 |
0X0000 0194 |
|
86 |
93 |
可编程 |
SPI6 |
SPI6全局中断 |
0X0000 0198 |
|
87 |
94 |
可编程 |
SAI1 |
SAI1全局中断 |
0X0000 019C |
|
88 |
95 |
可编程 |
LTDC |
LTDC全局中断 |
0X0000 01A0 |
|
89 |
96 |
可编程 |
LTDC_ER |
LTDC_ER全局中断 |
0X0000 01A4 |
|
90 |
97 |
可编程 |
DMA2D |
DMA2D全局中断 |
0X0000 01A8 |
代码 12 向量表
1 __Vectors DCD __initial_sp ;栈顶地址
2 DCD Reset_Handler ;复位程序地址
3 DCD NMI_Handler
4 DCD HardFault_Handler
5 DCD MemManage_Handler
6 DCD BusFault_Handler
7 DCD UsageFault_Handler
8 DCD
0 ; 0 表示保留
9 DCD
0
10 DCD
0
11 DCD
0
12 DCD SVC_Handler
13 DCD DebugMon_Handler
14 DCD
0
15 DCD PendSV_Handler
16 DCD SysTick_Handler
17
18
19 ;外部中断开始
20 DCD WWDG_IRQHandler
21 DCD PVD_IRQHandler
22 DCD TAMP_STAMP_IRQHandler
23
24 ;限于篇幅，中间代码省略25 DCD LTDC_IRQHandler
26 DCD LTDC_ER_IRQHandler
27 DCD DMA2D_IRQHandler
28 __Vectors_End
1 __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
__Vectors为向量表起始地址，__Vectors_End 为向量表结束地址，两个相减即可算出向量表大小。
向量表从FLASH的0地址开始放置，以4个字节为一个单位，地址0存放的是栈顶地址，0X04存放的是复位程序的地址，以此类推。从代码上看，向量表中存放的都是中断服务函数的函数名，可我们知道C语言中的函数名就是一个地址。
DCD：分配一个或者多个以字为单位的内存，以四字节对齐，并要求初始化这些内存。在向量表中，DCD分配了一堆内存，并且以ESR的入口地址初始化它们。
4. 复位程序
1 AREA |.text|, CODE, READONLY
定义一个名称为.text的代码段，可读。
1 Reset_Handler PROC
2 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
3 IMPORT SystemInit
4 IMPORT __main
5
6 LDR
R0, =SystemInit
7
BLX
R0
8
LDR
R0, =__main
9
BX
R0
10
ENDP
复位子程序是系统上电后第一个执行的程序，调用SystemInit函数初始化系统时钟，然后调用C库函数_mian，最终调用main函数去到C的世界。
WEAK：表示弱定义，如果外部文件优先定义了该标号则首先引用该标号，如果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位子程序可以由用户在其他文件重新实现，这里并不是唯一的。
IMPORT：表示该标号来自外部文件，跟C语言中的EXTERN关键字类似。这里表示SystemInit和__main这两个函数均来自外部的文件。
SystemInit()是一个标准的库函数，在system_stm32f4xx.c这个库文件总定义。主要作用是配置系统时钟，这里调用这个函数之后，F429的系统时钟配被配置为180M。
__main是一个标准的C库函数，主要作用是初始化用户堆栈，最终调用main函数去到C的世界。这就是为什么我们写的程序都有一个main函数的原因。如果我们在这里不调用__main，那么程序最终就不会调用我们C文件里面的main，如果是调皮的用户就可以修改主函数的名称，然后在这里面IMPORT你写的主函数名称即可。
1 Reset_Handler PROC
2 EXPORT Reset_Handler [WEAK]
3 IMPORT SystemInit
4 IMPORT user_main
5
6 LDR
R0, =SystemInit
7
BLX
R0
8
LDR
R0, =user_main
9
BX
R0
10
ENDP
这个时候你在C文件里面写的主函数名称就不是main了，而是user_main了。
LDR、BLX、BX是CM4内核的指令，可在《CM3权威指南CnR2》第四章-指令集里面查询到，具体作用见下表：
|
指令名称 |
作用 |
|
LDR |
从存储器中加载字到一个寄存器中 |
|
BL |
跳转到由寄存器/标号给出的地址，并把跳转前的下条指令地址保存到LR |
|
BLX |
跳转到由寄存器给出的地址，并根据寄存器的LSE确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到LR |
|
BX |
跳转到由寄存器/标号给出的地址，不用返回 |
5. 中断服务程序
在启动文件里面已经帮我们写好所有中断的中断服务函数，跟我们平时写的中断服务函数不一样的就是这些函数都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的C文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置而已。
如果我们在使用某个外设的时候，开启了某个中断，但是又忘记编写配套的中断服务程序或者函数名写错，那当中断来临的时，程序就会跳转到启动文件预先写好的空的中断服务程序中，并且在这个空函数中无线循环，即程序就死在这里。
1 NMI_Handler PROC ;系统异常
2 EXPORT NMI_Handler [WEAK]
3 B .
4 ENDP
5
6 ;限于篇幅，中间代码省略
7 SysTick_Handler PROC
8 EXPORT SysTick_Handler [WEAK]
9 B .
10 ENDP
11
12 Default_Handler PROC ;外部中断
13 EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
14 EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK]
15 EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]
16
17 ;限于篇幅，中间代码省略
18 LTDC_IRQHandler
19 LTDC_ER_IRQHandler
20 DMA2D_IRQHandler
21 B .
22 ENDP
B：跳转到一个标号。这里跳转到一个‘.‘，即表示无线循环。
6. 用户堆栈初始化
1 ALIGN
ALIGN：对指令或者数据存放的地址进行对齐，后面会跟一个立即数。缺省表示4字节对齐。
1 ;用户栈和堆初始化
2 IF :DEF:__MICROLIB
3
4 EXPORT __initial_sp
5 EXPORT __heap_base
6 EXPORT __heap_limit
7
8 ELSE
9
10 IMPORT __use_two_region_memory
11 EXPORT __user_initial_stackheap
12
13 __user_initial_stackheap
14
15 LDR R0, = Heap_Mem
16 LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
17 LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
18 LDR R3, = Stack_Mem
19
BX LR
20
21
ALIGN
22
23
ENDIF
24
END
判断是否定义了__MICROLIB ，如果定义了则赋予标号__initial_sp（栈顶地址）、__heap_base（堆起始地址）、__heap_limit（堆结束地址）全局属性，可供外部文件调用。如果没有定义（实际的情况就是我们没定义__MICROLIB）则使用默认的C库，然后初始化用户堆栈大小，这部分有C库函数__main来完成，当初始化完堆栈之后，就调用main函数去到C的世界。
IF,ELSE,ENDIF：汇编的条件分支语句，跟C语言的if ,else类似
END：文件结束
14.4 系统启动流程
下面这段话引用自《CM3权威指南CnR2》3.8—复位序列，CM4的复位序列跟CM3一样。—秉火注。
在离开复位状态后， CM3 做的第一件事就是读取下列两个 32 位整数的值：
1、从地址 0x0000,0000 处取出 MSP 的初始值。
2、从地址 0x0000,0004 处取出 PC 的初始值——这个值是复位向量， LSB 必须是 1。 然后从这个值所对应的地址处取指。
图 142 复位序列
请注意，这与传统的 ARM 架构不同——其实也和绝大多数的其它单片机不同。传统的 ARM 架构总是从 0 地址开始执行第一条指令。它们的 0 地址处总是一条跳转指令。在 CM3 中，在 0 地址处提供 MSP 的初始值，然后紧跟着就是向量表。向量表中的数值是 32 位的地址，而不是跳转指令。向量表的第一个条目指向复位后应执行的第一条指令，就是我们刚刚分析的Reset_Handler这个函数。
图 143 初始化MSP和PC的一个范例
因为 CM3 使用的是向下生长的满栈，所以 MSP 的初始值必须是堆栈内存的末地址加 1。举例来说，如果我们的堆栈区域在 0x20007C00-0x20007FFF 之间，那么 MSP 的初始值就必须是 0x20008000。
向量表跟随在 MSP 的初始值之后——也就是第 2 个表目。要注意因为 CM3 是在 Thumb 态下执行，所以向量表中的每个数值都必须把 LSB 置 1（也就是奇数）。正是因为这个原因，图 143中使用0x101 来表达地址 0x100。当 0x100 处的指令得到执行后，就正式开始了程序的执行（即去到C的世界）。在此之前初始化 MSP 是必需的，因为可能第 1 条指令还没来得及执行，就发生了 NMI 或是其它 fault。 MSP 初始化好后就已经为它们的服务例程准备好了堆栈。
现在，程序就进入了我们熟悉的C世界，现在我们也应该明白main并不是系统执行的第一个程序了。
14.5 每课一问
1、启动文件的主要作用是什么？
2、FLASH地址0存放的是什么？
3、熟悉启动文件里面的ARM汇编指令