第14章 启动文件详解

本章参考资料《STM32F76xxx参考手册》第十章-中断和事件：表 46. STM32F76xxx 和 STM32F77xxx 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 14-1 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

1.3  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。THUMB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的超集。

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 STM32F767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	WWDG	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《STM32F76xxx参考手册》第十章-中断和事件-向量表部分
103	110	可编程	SDMMC2	SDMMC2全局中断	0X0000 0190
104	111	可编程	CAN3_TX	CAN3 TX中断	0X0000 0194
105	112	可编程	CAN3_RX0	CAN3  RX0中断	0X0000 0198
106	113	可编程	CAN3_RX1	CAN3  RX1中断	0X0000 019C
107	114	可编程	CAN3_SCE	CAN3  SCE中断	0X0000 01A0
108	115	可编程	JPEG	JPEG全局中断	0X0000 01A4
109	116	可编程	MDIOS	MDIOS全局中断	0X0000 01A8

代码 9 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   CAN3_SCE_IRQHandler

26            DCD   JPEG_IRQHandler

27            DCD   MDIOS_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_stm32f7xx.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，F767的系统时钟配被配置为16M。

__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 CAN3_SCE _IRQHandler
19 JPEG _IRQHandler
20 MDIOS_ 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，CM7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 14-2 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 14-3 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。