STM32启动文件代码解析

下面是F1固件库V3.5.0的启动文件startup_stm32f10x_hd.s,以此为例做解析,其余的型号的启动文件都差不多,细微区别在于由于片上外设不同,支持的中断也不一样,所以在启动文件的中断向量表不同型号会有差别。

启动流程

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

代码详解

下面是用于KEIL中启动文件,加入了较详细的注释:

; 分配给堆栈的内存量(以字节为单位)
; 根据应用程序的需要定制此值
; <h> Stack Configuration 栈配置
;   <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; </h>
Stack_Size      EQU     0x00000400   ;类似于:#define Stack_Size 0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3  ;伪指令AREA,表示名字为 STACK,NOINIT 即不初始化,可读可写,82^3)字节对齐。
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size   ;开辟一段大小为Stack_Size的内存空间作为栈,Stack_Size已经定义为了0x000004001KB)
__initial_sp    ;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。
                                                  
; <h> Heap Configuration 堆配置
;   <o>  Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; </h>

Heap_Size       EQU     0x00000200  ;类似于:#define Heap_Size 0x00000200

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3  ;伪指令AREA,表示名字为 HEAP,NOINIT即不初始化,可读可写,82^3)字节对齐
__heap_base     ; __heap_base 表示对的起始地址
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size  ;开辟堆的大小为 0X00000200512字节)
__heap_limit    ; __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

                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-232 位的,兼容 16 位和 32 位的指令,是 THUMB 的超集。


; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY ;定义一个数据段,名字为 RESET,可读。
                EXPORT  __Vectors   ;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  __Vectors_End  ;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。
                EXPORT  __Vectors_Size

	;__Vectors 为向量表起始地址   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
__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack 栈顶地址MSP
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler 复位程序地址
                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  0表示保留
                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 以下是外部中断
                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 & ADC2
                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     RTCAlarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
                DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
                DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
                DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
                DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
                DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 Capture Compare
                DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
                DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
                DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
                DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
                DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
                DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
                DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
                DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
                DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
                DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
                DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
                DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
                DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End  ; __Vectors_End 为向量表结束地址

__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。

                AREA    |.text|, CODE, READONLY  ;定义一个名称为.text 的代码段,可读
                
; Reset handler复位程序
Reset_Handler   PROC   ;PROC 定义子程序,与 ENDP 成对使用,表示子程序结束
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]  ;WEAK表示弱定义
                IMPORT  __main   ;IMPORT类似于extern,表示__main和SystemInit都来自外部文件,__main 是一个标准的 C 库函数,主要作用是初始化用户堆栈,并在函数的最后调用main 函数去到 C 的世界
                IMPORT  SystemInit ;SystemInit()是一个标准的库函数,在system_stm32f10x.c这个库文件中定义。主要作用是配置系统时钟
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0               
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP
                
; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified无限循环可以被修改)

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .        ;跳转到一个标号。这里跳转到一个‘.’,即表示无线循环
                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  RTCAlarm_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  USBWakeUp_IRQHandler       [WEAK]
                EXPORT  TIM8_BRK_IRQHandler        [WEAK]
                EXPORT  TIM8_UP_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  TIM8_TRG_COM_IRQHandler    [WEAK]
                EXPORT  TIM8_CC_IRQHandler         [WEAK]
                EXPORT  ADC3_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  FSMC_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  SDIO_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  TIM5_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  SPI3_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  UART4_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  UART5_IRQHandler           [WEAK]
                EXPORT  TIM6_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  TIM7_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  DMA2_Channel1_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA2_Channel2_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA2_Channel3_IRQHandler   [WEAK]
                EXPORT  DMA2_Channel4_5_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
RTCAlarm_IRQHandler
USBWakeUp_IRQHandler
TIM8_BRK_IRQHandler
TIM8_UP_IRQHandler
TIM8_TRG_COM_IRQHandler
TIM8_CC_IRQHandler
ADC3_IRQHandler
FSMC_IRQHandler
SDIO_IRQHandler
TIM5_IRQHandler
SPI3_IRQHandler
UART4_IRQHandler
UART5_IRQHandler
TIM6_IRQHandler
TIM7_IRQHandler
DMA2_Channel1_IRQHandler
DMA2_Channel2_IRQHandler
DMA2_Channel3_IRQHandler
DMA2_Channel4_5_IRQHandler
                B       .

                ENDP

                ALIGN

;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization  用户堆栈初始化
;*******************************************************************************
                 IF      :DEF:__MICROLIB ;判断是否定义了__MICROLIB
                
                 EXPORT  __initial_sp;如果定义了这个宏则赋予标号__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。
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit
                
                 ELSE  ;如果没有定义__MICROLIB,则插入标号__use_two_region_memory,这个函数需要用户自己实现
                
                 IMPORT  __use_two_region_memory
                 EXPORT  __user_initial_stackheap ;声明标号__user_initial_stackheap 具有全局属性,可供外部文件调用,下面实现这个标号的内容。
                 
__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  ;文件结束

启动文件使用的 ARM 汇编指令汇总

【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】汇编的条件分支语句,跟 C 语言的 if ,else 类似
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
【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

关于与启动文件有关的一些问题思考

  1. 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。
    B:跳转到一个标号。这里跳转到一个‘.’,即表示无限循环
    如果你在调试程序时发现死在了启动文件中的B .这个位置,大概率是你使能了某个中断但没有编写中断函数。

  2. 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。
    修改启动文件中的Stack_Size EQU 0x00000400可以修改栈大小
    修改启动文件中的Heap_Size EQU 0x00000200可以修改堆大小

  3. 在3.5版的启动文件还调用了在system_stm32f10x.c文件中的
    SystemInit()函数配置系统时钟,在旧版本的工程中要用户进入main函数自己调用SystemInit()函数。

  4. 无论性能高下,结构简繁,价格贵贱,每一种微控制器(处理器)都必须有启动文件,启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间(称为启动过程)所必须进行的工作。最为常见的51,AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件,但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件,不需要开发人员再行干预启动过程,只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。

  5. Cortex-M3内核规定,起始地址必须存放堆顶指针,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。

  6. Cortex-M3内核可通过boot引脚设置中断向量表的位置(即可以设置从不同位置启动),有3种情况:
    1、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于SRAM区,即起始地址为0x2000000,同时复位后PC指针位于0x2000000处;
    2、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于FLASH区,即起始地址为0x8000000,同时复位后PC指针位于0x8000000处;
    3、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于内置Bootloader区

参考:https://www.cnblogs.com/wenshinlee/p/8859227.html
https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3719529.html

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