单片机启动过程: main之前干了啥

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单片机启动过程: main之前干了啥

2024-07-16 04:11| 来源: 网络整理| 查看: 265

VersionSDescriptionDateByV1CFirst Version2020-12-19AYZP

C―― Create, A—— Add, M—— Modify, D—— Delete。

前言

单片机在执行main函数之前,都干了什么呢?都做了什么准备呢?来总结一下。

一 准备

用KEIL学STM32单片机编程的时候,按下其仿真按钮 在这里插入图片描述 再按下RST按钮

在这里插入图片描述

会发现进入到一个启动文件startup_stm32f10x_md.s,运行指示光标,会停在一个位置上: 在这里插入图片描述

详细代码见附录A,这块代码前面是栈大小设置stack size、堆大小设置heap size、一堆中断向量表Vector Table

可以看到,我们的运行光标停在Reset_Handler处。在我们执行__main之前,还要执行SystemInit,这个SystemInit包括什么呢,打开看看。我们会发现这个SystemInit在文件system_stm32f10x.c文件中,是一个函数,里面的动作包括很多,详细代码放在附录B,有兴趣看看。

二 分析

分析全是看别人的,链接见参考文献

2.1 MCU程序执行过程

MCU上电(复位)时,从固定的地址启动,一般是地址0x00000000,如ARM7;个别特殊的如STM32默认启动地址为0x8000000(flash区启动)。

STM32的内部闪存地址起始于0x8000000,一般情况下,程序文件就从此地址开始写入。此外STM32是基于Cortex-M3内核的微控制器,其内部通过一张“中断向量表”来响应中断,程序启动后,将首先从“中断向量表”取出复位中断向量(上面的Reset_Handler)执行复位中断程序完成启动。

程序执行过程如下图:

在这里插入图片描述 1、STM32复位后,会从地址为0x8000004处取出复位中断向量的地址,并跳转执行复位中断服务程序,如图1中标号1️⃣​所示。 2、复位中断服务程序执行的最终结果是跳转至C程序的main函数,如上图中标号2️⃣所示,而main函数应该是一个死循环,是一个永不返回的函数。(我们这篇文章主要就是这里了,跳到main函数前,程序干了啥,见下一节)

3、在main函数执行的过程中,发生了一个中断请求,此时STM32的硬件机制会将PC指针强制指回中断向量表处,如图中标号3️⃣所示。 4、根据中断源进入相应的中断服务程序,如图1中标号5️⃣所示。 5、中断服务程序执行完毕后,程序再度返回至main函数中执行,如图中标号6️⃣所示。

STM32的内部闪存地址起始于0x8000000,一般情况下,程序文件就从此地址开始写入。此外STM32是基于Cortex-M3内核的微控制器,其内部通过一张“中断向量表”来响应中断,程序启动后,将首先从“中断向量表”取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动。而这张“中断向量表”的起始地址是0x8000004,当中断来临,STM32的内部硬件机制亦会自动将PC指针定位到“中断向量表”处,并根据中断源取出对应的中断向量执行中断服务程序。最后还需要知道关键的一点,通过修改STM32工程的链接脚本可以修改程序文件写入闪存的起始地址。

2.2 main 之前干了啥

启动过程主要完成两部分工作,一个是硬件执行环境,如中断向量表、寄存器、看门狗等,另一个是软件环境,如C库环境、ZI(未初始化的内存变量)等。

2.2.1 硬件执行环境

1.初始时钟 初始化内核时钟,主时钟,各个外设的时钟。

2.关闭看门狗 看门狗是用来监控应用程序的异常跑飞而复位CPU,在初始化阶段,由于没有“喂狗”这一动作,有可能导致CPU不断复位,因此,首先会关闭看门狗,初始化完,再开启。

3.建立中断向量表 中断向量表,中断源的识别标志,可用来形成相应的中断服务程序的入口地址,或者中断服务程序入口地址的偏移量和段基值。CPU利用中断向量表转入中断服务程序处理相关事务。

4.初始化堆栈寄存器 堆栈的作用一个就是保存现场(上下文),如函数调用或者中断发送时,将当前执行地址压栈,调用完成再返回此处执行程序。另一个作用就是保存参数,如临时变量。因此,在启动阶段需初始化堆栈寄存器、堆栈的大小、起始地址等。

5.内存初始化 选择内部或者外部RAM。

2.2.2 软件环境

1.把RO,RW从它们的加载域复制到它们的运行域中去。

2.初始化(清零)ZI域。

3.初始化堆栈指针

4.初始化C库环境 包括C库所需的内存空间、程序执行所需资源、C库初始化。

2.2.3 CortexM3启动

在这里插入图片描述

CortexM3有3种启动方式

1、BOOT1=1BOOT0=1,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、BOOT1=xBOOT0=0,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、BOOT1=0BOOT0=1,中断向量表定位于内置Bootloader区,此时可通过串口下载程序的二进制文件到flash区。

而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。对比ARM7/ARM9内核,Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。即是对于flash启动来说(正常工作也是flash启动),0x8000000地址存放的是栈顶地址__initial_sp,0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset_Handler入口地址(STM32使用32位总线,存储空间为4字节对齐);在编写多段程序时,偏移地址空间需注意,如编写一个BootLoader,从BootLoader到应用程序段的相互跳转。

2.3 流程

关于STM32上电启动的流程,我理解的是这样:

根据boot引脚的电平,确定程序起始地址,同时PC指针指向该地址。(假设从内部flash启动,起始地址0x08000000);从0x08000000取出MSP栈顶指针;(设置堆栈)从0x08000004取出值赋给PC,即reset_handler的地址,然后执行reset_handler程序。(想想2.1的那张图)。在reset_handler中完成功能: 时钟初始化、看门狗、中断向量表、内存初始化、堆栈初始化、初始化运行环境(一些库)等。(此处顺序如何目前2020-12-19还不知道) 执行main 参考文献

[1] losingamong. http://bbs.eeworld.com.cn/thread-294115-1-1.html

[2] 电子说. 一文知道MCU上电复位启动过程. 电子发烧友. 2019.10. http://m.elecfans.com/article/1087849.html

[3] 冷面水手. STM32启动BOOT0 BOOT1设置方法. 简书. 2017.01. https://www.jianshu.com/p/38c4a90bac19

[4] 夜色稠. 【2.0】bootloader工作流程、MCU启动流程. CSDN. 2019.10 https://blog.csdn.net/jaydianyu/article/details/102469037

附录A

启动文件startup_stm32f10x_md.s

;******************** (C) COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics ******************** ;* File Name : startup_stm32f10x_md.s ;* Author : MCD Application Team ;* Version : V3.5.0 ;* Date : 11-March-2011 ;* Description : STM32F10x Medium Density Devices vector table for MDK-ARM ;* toolchain. ;* This module performs: ;* - Set the initial SP ;* - Set the initial PC == Reset_Handler ;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address ;* - Configure the clock system ;* - Branches to __main in the C library (which eventually ;* calls main()). ;* After Reset the CortexM3 processor is in Thread mode, ;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main. ;* ;******************************************************************************* ; THE PRESENT FIRMWARE WHICH IS FOR GUIDANCE ONLY AIMS AT PROVIDING CUSTOMERS ; WITH CODING INFORMATION REGARDING THEIR PRODUCTS IN ORDER FOR THEM TO SAVE TIME. ; AS A RESULT, STMICROELECTRONICS SHALL NOT BE HELD LIABLE FOR ANY DIRECT, ; INDIRECT OR CONSEQUENTIAL DAMAGES WITH RESPECT TO ANY CLAIMS ARISING FROM THE ; CONTENT OF SUCH FIRMWARE AND/OR THE USE MADE BY CUSTOMERS OF THE CODING ; INFORMATION CONTAINED HEREIN IN CONNECTION WITH THEIR PRODUCTS. ;******************************************************************************* ; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack ; Tailor this value to your application needs ; Stack Configuration ; Stack Size (in Bytes) ; Stack_Size EQU 0x00000400 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 Stack_Mem SPACE Stack_Size __initial_sp ; Heap Configuration ; Heap Size (in Bytes) ; Heap_Size EQU 0x00000200 AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 __heap_base Heap_Mem SPACE Heap_Size __heap_limit PRESERVE8 THUMB ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset AREA RESET, DATA, READONLY EXPORT __Vectors EXPORT __Vectors_End EXPORT __Vectors_Size __Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack DCD Reset_Handler ; Reset Handler 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 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 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_2 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 __Vectors_End __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors AREA |.text|, CODE, READONLY ; Reset handler Reset_Handler PROC EXPORT Reset_Handler [WEAK] IMPORT __main IMPORT SystemInit LDR R0, =SystemInit BLX R0 LDR R0, =__main BX R0 ENDP ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified) NMI_Handler PROC EXPORT NMI_Handler [WEAK] B . 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] 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 B . ENDP ALIGN ;******************************************************************************* ; User Stack and Heap initialization ;******************************************************************************* IF :DEF:__MICROLIB EXPORT __initial_sp EXPORT __heap_base EXPORT __heap_limit ELSE IMPORT __use_two_region_memory EXPORT __user_initial_stackheap __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 ;******************* (C) COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics *****END OF FILE***** 附录B

system_stm32f10x.c中的SystemInit 函数

void SystemInit (void) { /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(for debug purpose) */ /* Set HSION bit */ RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001; /* Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits */ #ifndef STM32F10X_CL RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF8FF0000; #else RCC->CFGR &= (uint32_t)0xF0FF0000; #endif /* STM32F10X_CL */ /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */ RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF; /* Reset HSEBYP bit */ RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF; /* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */ RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF80FFFF; #ifdef STM32F10X_CL /* Reset PLL2ON and PLL3ON bits */ RCC->CR &= (uint32_t)0xEBFFFFFF; /* Disable all interrupts and clear pending bits */ RCC->CIR = 0x00FF0000; /* Reset CFGR2 register */ RCC->CFGR2 = 0x00000000; #elif defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || (defined STM32F10X_HD_VL) /* Disable all interrupts and clear pending bits */ RCC->CIR = 0x009F0000; /* Reset CFGR2 register */ RCC->CFGR2 = 0x00000000; #else /* Disable all interrupts and clear pending bits */ RCC->CIR = 0x009F0000; #endif /* STM32F10X_CL */ #if defined (STM32F10X_HD) || (defined STM32F10X_XL) || (defined STM32F10X_HD_VL) #ifdef DATA_IN_ExtSRAM SystemInit_ExtMemCtl(); #endif /* DATA_IN_ExtSRAM */ #endif /* Configure the System clock frequency, HCLK, PCLK2 and PCLK1 prescalers */ /* Configure the Flash Latency cycles and enable prefetch buffer */ SetSysClock(); #ifdef VECT_TAB_SRAM SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */ #else SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */ #endif }


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