ST-ARM理论（4）：STM32F1启动
前提摘要
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个人说明：
限于时间紧迫以及作者水平有限，本文错误、疏漏之处恐不在少数，恳请读者批评指正。意见请留言或者发送邮件至：“noahpanzzz@gmail.com”
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参考
正文
启动模式（STM32F1）
在系统复位后，SYSCLK的第4个上升沿，BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。
在STM32F10xxx里，可以通过BOOT[1:0]引脚选择三种不同启动模式。
- 主闪存存储器 ， 芯片内置的FLASH。
- 系统存储器，芯片内部一块特定的区域，芯片出厂时在这个区域预置了一段Bootloader，就是通常说的ISP程序。这个区域的内容在芯片出厂后没有人能够修改或擦除，即它是一个ROM区。这个系统存储器只是帮你通过ISP程序下载hex进去的。
- 内置SRAM,芯片内置的内存。
在启动延迟之后，CPU从地址0x0000 0000获取堆栈顶的地址 ,即获取堆栈指针MSP的初始值;并从启动存储器的0x0000 0004指示的地址开始执行代码，即取出程序计数器指针PC的初始值，该值为复位向量。
下图摘自STM32F10xxx参考手册_V10(中文版)
从上图红框中文字可以得到以下信息
- 主闪存存储器被映射到启动空间，可以通过0x0000 0000或0x0800 0000进行访问。
- 系统存储器被映射到启动空间，可以通过0x0000 0000或0x1FFF F000进行访问。
- 内置RAM被映射到启动空间，只能通过0x2000 0000进行访问。
对比存储器映射（Memory Map），就可以得到这些地址得来的原因。
主闪存存储器启动
地址范围0x0800 0000~0x0807 FFFF,大小为512KB。一般使用JTAG或者SWD模式下载程序。
系统存储器启动
地址范围0x1FFF F000~0x1FFF F7FF,大小为2KB。一般使用USART1启动自举程序。
内置SRAM启动
地址范围0x2000 0000~0x2000 FFFF,大小为64KB。由于SRAM掉电数据丢失，所以这种启动方式多用于调试。
注：由于笔者之前的本职是FPGA方向，对这方面的了解不多，水平有限，欢迎指正。
Bootloader
暂时没有写，等后面补充。
启动文件
汇编指令
| 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 |
| 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，这里放到一起为了方便。 |
| SPACE | 分配内存空间 |
| PRESERVE8 | 当前文件堆栈需要按照8字节对齐 |
| THUMB | 表示后面指令兼容 THUMB指令。在 ARM以前的指令集中有 16位的THUMBM指令，现在 Cortex M系列使用的都是 THUMB 2指令集，THUMB 2是 32位的，兼容 16位和 32位的指令，是 THUMB的超级版。 |
| EXPORT | 声明一个标号具有全局属性，可被外部的文件使用 |
| DCD | 以字节为单位分配内存，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会出错。要注意的是，这个不是 ARM的指令，是编译器的，这里放到一起为了方便。 |
| IMPORT | 声明标号来自外部文件，跟C语言中的 extern关键字类似 |
| LDR | 从存储器中加载字到一个存储器中 |
| 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 |
| B | 跳转到一个标号 |
| IF,ELSE,ENDIF | 汇编条件分支语句，跟C语言的类似 |
| END | 到达文件的末尾，与PROC成对使用，文件结束 |
STM32启动文件
STM32启动文件主要实现了下面五种功能
- Set the initial SP.
- Set the initial PC == Reset_Handler.
- Set the vector table entries with the exceptions ISR address.
- Configure the clock system and also configure the external SRAM mounted on STM3210E-EVAL board to be used as data memory (optional, to be enabled by user).
- Branches to __main in the C library (which eventually calls main()).
- 初始化堆栈指针MSP = __initial_sp。
- 初始化程序计数器指针PC = Reset_Handler。
- 设置堆和栈的大小。
- 设置中断向量表，中断服务函数地址。
- 配置时钟系统，通过调用 SystemInit函数和配置外部SRAM作为数据存储器。
- 调用 C库 中的 _main 函数 初始化用户堆栈，最终调用 main 函数。
堆和栈
Stack_Size EQU 0x400
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
; <h> Heap Configuration
; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; </h>
Heap_Size EQU 0x200
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem SPACE Heap_Size
__heap_limit
PRESERVE8
| 作用 | |
|---|---|
| 栈（Stack） | 编译器自动分配和释放，存放函数参数、局部变量等。 |
| 堆（Heap） | 程序员分配和释放，如malloc、calloc、realloc等。 |
Stack-栈
在启动文件中，默认栈的大小为0X00000400（1KB）。
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 RAM 的大小（STM32F103VET6内部RAM大小为64KB）。
示例：函数内部定义局部数组变量
uint8_t receive_data[4096];
如果Stack的大小是1KB，程序就会进入HardFault_Handler()硬件错误中断。
解决办法：
- 将启动文件下的栈空间改大，需要注意不能超过内部RAM的大小。
- 用静态数组代替普通局部数组。
- 使用全局变量代替局部数组，如果使用OS，则使用内存管理。
Heap-堆
在启动文件中，默认堆的大小为 0X00000200（512B）。
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 裸机里面用的比较少，但是在RTOS中使用较多。
为了节约空间，堆的生长方向：向上生长，栈的生长方向：向下生长。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-792385.html
初始化MSP和PC
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
初始化中断向量表
; 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 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 DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
AREA |.text|, CODE, READONLY
Reset_Handler
; Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
IMPORT SystemInit
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP
总结
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