第14章 启动文件详解—零死角玩转STM32-F429系列

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 (CSS) 连接到 NMI 向量	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

19BX      LR

20

21
ALIGN

22

23ENDIF

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