第14章 啟動文件詳解
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本章參考資料《STM32F4xx 中文參考手冊》第十章-中斷和事件：表 46. STM32F42xxx 和 STM32F43xxx 的向量表；MDK中的幫助手冊—ARM Development Tools：用來查詢ARM的匯編指令和編譯器相關的指令。
14.1 啟動文件簡介
啟動文件由匯編編寫，是系統上電復位后第一個執行的程序。主要做了以下工作：
1、初始化堆棧指針SP=_initial_sp
2、初始化PC指針=Reset_Handler
3、初始化中斷向量表
4、配置系統時鍾
5、調用C庫函數_main初始化用戶堆棧，從而最終調用main函數去到C的世界
14.2 查找ARM匯編指令
在講解啟動代碼的時候，會涉及到ARM的匯編指令和Cortex內核的指令，有關Cortex內核的指令我們可以參考《CM3權威指南CnR2》第四章：指令集。剩下的ARM的匯編指令我們可以在MDK->Help->Uvision Help中搜索到，以EQU為例，檢索如下：
圖 141 ARM 匯編指令索引
檢索出來的結果會有很多，我們只需要看Assembler User Guide 這部分即可。下面列出了啟動文件中使用到的ARM匯編指令，該列表的指令全部從ARM Development Tools這個幫助文檔里面檢索而來。其中編譯器相關的指令WEAK和ALIGN為了方便也放在同一個表格了。
表格 10 啟動文件使用的ARM匯編指令匯總
| 指令名稱 |
作用 |
| EQU |
給數字常量取一個符號名，相當於C語言中的define |
| AREA |
匯編一個新的代碼段或者數據段 |
| SPACE |
分配內存空間 |
| PRESERVE8 |
當前文件堆棧需按照8字節對齊 |
| EXPORT |
聲明一個標號具有全局屬性，可被外部的文件使用 |
| DCD |
以字為單位分配內存，要求4字節對齊，並要求初始化這些內存 |
| PROC |
定義子程序，與ENDP成對使用，表示子程序結束 |
| WEAK |
弱定義，如果外部文件聲明了一個標號，則優先使用外部文件定義的標號，如果外部文件沒有定義也不出錯。要注意的是：這個不是ARM的指令，是編譯器的，這里放在一起只是為了方便。 |
| IMPORT |
聲明標號來自外部文件，跟C語言中的EXTERN關鍵字類似 |
| B |
跳轉到一個標號 |
| ALIGN |
編譯器對指令或者數據的存放地址進行對齊，一般需要跟一個立即數，缺省表示4字節對齊。要注意的是：這個不是ARM的指令，是編譯器的，這里放在一起只是為了方便。 |
| END |
到達文件的末尾，文件結束 |
| IF,ELSE,ENDIF |
匯編條件分支語句，跟C語言的if else類似 |
14.3 啟動文件代碼講解
1. Stack—棧
1 Stack_Size EQU 0x00000400 2
3 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 4 Stack_Mem SPACE Stack_Size
5 __initial_sp 開辟棧的大小為0X00000400（1KB），名字為STACK，NOINIT即不初始化，可讀可寫，8（2^3）字節對齊。
棧的作用是用於局部變量，函數調用，函數形參等的開銷，棧的大小不能超過內部SRAM的大小。如果編寫的程序比較大，定義的局部變量很多，那么就需要修改棧的大小。如果某一天，你寫的程序出現了莫名奇怪的錯誤，並進入了硬fault的時候，這時你就要考慮下是不是棧不夠大，溢出了。
EQU：宏定義的偽指令，相當於等於，類似與C中的define。
AREA：告訴匯編器匯編一個新的代碼段或者數據段。STACK表示段名，這個可以任意命名；NOINIT表示不初始化；READWRITE表示可讀可寫，ALIGN=3，表示按照2^3對齊，即8字節對齊。
SPACE：用於分配一定大小的內存空間，單位為字節。這里指定大小等於Stack_Size。
標號__initial_sp緊挨着SPACE語句放置，表示棧的結束地址，即棧頂地址，棧是由高向低生長的。
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
開辟堆的大小為0X00000200（512字節），名字為HEAP，NOINIT即不初始化，可讀可寫，8（2^3）字節對齊。__heap_base表示對的起始地址，__heap_limit表示堆的結束地址。堆是由低向高生長的，跟棧的生長方向相反。
堆主要用來動態內存的分配，像malloc()函數申請的內存就在堆上面。這個在STM32里面用的比較少。
1 PRESERVE8 2 THUMB
PRESERVE8：指定當前文件的堆棧按照8字節對齊。
THUMB：表示后面指令兼容THUMB指令。THUBM是ARM以前的指令集，16bit，現在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的超級。
3. 向量表
1 AREA RESET, DATA, READONLY 2 EXPORT __Vectors 3 EXPORT __Vectors_End 4 EXPORT __Vectors_Size
定義一個數據段，名字為RESET，可讀。並聲明__Vectors、__Vectors_End和__Vectors_Size這三個標號具有全局屬性，可供外部的文件調用。
EXPORT：聲明一個標號可被外部的文件使用，使標號具有全局屬性。如果是IAR編譯器，則使用的是GLOBAL這個指令。
當內核響應了一個發生的異常后，對應的異常服務例程(ESR)就會執行。為了決定ESR 的入口地址，內核使用了"向量表查表機制"。這里使用一張向量表。向量表其實是一個WORD（32 位整數）數組，每個下標對應一種異常，該下標元素的值則是該ESR 的入口地址。向量表在地址空間中的位置是可以設置的，通過NVIC 中的一個重定位寄存器來指出向量表的地址。在復位后，該寄存器的值為0。因此，在地址0 （即FLASH 地址0）處必須包含一張向量表，用於初始時的異常分配。要注意的是這里有個另類：0 號類型並不是什么入口地址，而是給出了復位后MSP 的初值。
表格 11 F429向量表
| 編號 |
優先級 |
優先級類型 |
名稱 |
說明 |
地址 |
| - |
- |
- |
保留（實際存的是MSP地址） |
0X0000 0000 |
|
| -3 |
固定 |
Reset |
復位 |
0X0000 0004 |
|
| -2 |
固定 |
NMI |
不可屏蔽中斷。 RCC 時鍾安全系統 |
0X0000 0008 |
|
| -1 |
固定 |
HardFault |
所有類型的錯誤 |
0X0000 000C |
|
| 0 |
可編程 |
MemManage |
存儲器管理 |
0X0000 0010 |
|
| 1 |
可編程 |
BusFault |
預取指失敗，存儲器訪問失敗 |
0X0000 0014 |
|
| 2 |
可編程 |
UsageFault |
未定義的指令或非法狀態 |
0X0000 0018 |
|
| - |
- |
- |
保留 |
0X0000 001C- 0X0000 002B |
|
| 3 |
可編程 |
SVCall |
通過 SWI 指令調用的系統服務 |
0X0000 002C |
|
| 4 |
可編程 |
Debug Monitor |
調試監控器 |
0X0000 0030 |
|
| - |
- |
- |
保留 |
0X0000 0034 |
|
| 5 |
可編程 |
PendSV |
可掛起的系統服務 |
0X0000 0038 |
|
| 6 |
可編程 |
SysTick |
系統嘀嗒定時器 |
0X0000 003C |
|
| 0 |
7 |
可編程 |
- |
窗口看門狗中斷 |
0X0000 0040 |
| 1 |
8 |
可編程 |
PVD |
連接EXTI 線的可編程電壓檢測中斷 |
0X0000 0044 |
| 2 |
9 |
可編程 |
TAMP_STAMP |
連接EXTI 線的入侵和時間戳中斷 |
0X0000 0048 |
| 中間部分省略，詳情請參考STM32F4xx 中文參考手冊》第十章-中斷和事件-向量表部分 |
|||||
| 84 |
91 |
可編程 |
SPI4 |
SPI4全局中斷 |
0X0000 0190 |
| 85 |
92 |
可編程 |
SPI5 |
SPI5全局中斷 |
0X0000 0194 |
| 86 |
93 |
可編程 |
SPI6 |
SPI6全局中斷 |
0X0000 0198 |
| 87 |
94 |
可編程 |
SAI1 |
SAI1全局中斷 |
0X0000 019C |
| 88 |
95 |
可編程 |
LTDC |
LTDC全局中斷 |
0X0000 01A0 |
| 89 |
96 |
可編程 |
LTDC_ER |
LTDC_ER全局中斷 |
0X0000 01A4 |
| 90 |
97 |
可編程 |
DMA2D |
DMA2D全局中斷 |
0X0000 01A8 |
代碼 12 向量表
1 __Vectors DCD __initial_sp ;棧頂地址 2 DCD Reset_Handler ;復位程序地址
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 ;外部中斷開始 20 DCD WWDG_IRQHandler 21 DCD PVD_IRQHandler 22 DCD TAMP_STAMP_IRQHandler 23
24 ;限於篇幅，中間代碼省略25 DCD LTDC_IRQHandler 26 DCD LTDC_ER_IRQHandler 27 DCD DMA2D_IRQHandler 28 __Vectors_End
1 __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
__Vectors為向量表起始地址，__Vectors_End 為向量表結束地址，兩個相減即可算出向量表大小。
向量表從FLASH的0地址開始放置，以4個字節為一個單位，地址0存放的是棧頂地址，0X04存放的是復位程序的地址，以此類推。從代碼上看，向量表中存放的都是中斷服務函數的函數名，可我們知道C語言中的函數名就是一個地址。
DCD：分配一個或者多個以字為單位的內存，以四字節對齊，並要求初始化這些內存。在向量表中，DCD分配了一堆內存，並且以ESR的入口地址初始化它們。
4. 復位程序
1 AREA |.text|, CODE, READONLY
定義一個名稱為.text的代碼段，可讀。 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
復位子程序是系統上電后第一個執行的程序，調用SystemInit函數初始化系統時鍾，然后調用C庫函數_mian，最終調用main函數去到C的世界。
WEAK：表示弱定義，如果外部文件優先定義了該標號則首先引用該標號，如果外部文件沒有聲明也不會出錯。這里表示復位子程序可以由用戶在其他文件重新實現，這里並不是唯一的。
IMPORT：表示該標號來自外部文件，跟C語言中的EXTERN關鍵字類似。這里表示SystemInit和__main這兩個函數均來自外部的文件。
SystemInit()是一個標准的庫函數，在system_stm32f4xx.c這個庫文件總定義。主要作用是配置系統時鍾，這里調用這個函數之后，F429的系統時鍾配被配置為180M。
__main是一個標准的C庫函數，主要作用是初始化用戶堆棧，最終調用main函數去到C的世界。這就是為什么我們寫的程序都有一個main函數的原因。如果我們在這里不調用__main，那么程序最終就不會調用我們C文件里面的main，如果是調皮的用戶就可以修改主函數的名稱，然后在這里面IMPORT你寫的主函數名稱即可。
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 這個時候你在C文件里面寫的主函數名稱就不是main了，而是user_main了。
LDR、BLX、BX是CM4內核的指令，可在《CM3權威指南CnR2》第四章-指令集里面查詢到，具體作用見下表：
| 指令名稱 |
作用 |
| LDR |
從存儲器中加載字到一個寄存器中 |
| BL |
跳轉到由寄存器/標號給出的地址，並把跳轉前的下條指令地址保存到LR |
| BLX |
跳轉到由寄存器給出的地址，並根據寄存器的LSE確定處理器的狀態，還要把跳轉前的下條指令地址保存到LR |
| BX |
跳轉到由寄存器/標號給出的地址，不用返回 |
5. 中斷服務程序
在啟動文件里面已經幫我們寫好所有中斷的中斷服務函數，跟我們平時寫的中斷服務函數不一樣的就是這些函數都是空的，真正的中斷復服務程序需要我們在外部的C文件里面重新實現，這里只是提前占了一個位置而已。
如果我們在使用某個外設的時候，開啟了某個中斷，但是又忘記編寫配套的中斷服務程序或者函數名寫錯，那當中斷來臨的時，程序就會跳轉到啟動文件預先寫好的空的中斷服務程序中，並且在這個空函數中無線循環，即程序就死在這里。
1 NMI_Handler PROC ;系統異常
2 EXPORT NMI_Handler [WEAK] 3 B . 4 ENDP 5
6 ;限於篇幅，中間代碼省略
7 SysTick_Handler PROC 8 EXPORT SysTick_Handler [WEAK] 9 B . 10 ENDP 11
12 Default_Handler PROC ;外部中斷
13 EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK] 14 EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK] 15 EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK] 16
17 ;限於篇幅，中間代碼省略
18 LTDC_IRQHandler 19 LTDC_ER_IRQHandler 20 DMA2D_IRQHandler 21 B . 22 ENDP
B：跳轉到一個標號。這里跳轉到一個'.'，即表示無線循環。
6. 用戶堆棧初始化
1 ALIGN
ALIGN：對指令或者數據存放的地址進行對齊，后面會跟一個立即數。缺省表示4字節對齊。
1 ;用戶棧和堆初始化
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
判斷是否定義了__MICROLIB ，如果定義了則賦予標號__initial_sp（棧頂地址）、__heap_base（堆起始地址）、__heap_limit（堆結束地址）全局屬性，可供外部文件調用。如果沒有定義（實際的情況就是我們沒定義__MICROLIB）則使用默認的C庫，然后初始化用戶堆棧大小，這部分有C庫函數__main來完成，當初始化完堆棧之后，就調用main函數去到C的世界。
IF,ELSE,ENDIF：匯編的條件分支語句，跟C語言的if ,else類似
END：文件結束
14.4 系統啟動流程
下面這段話引用自《CM3權威指南CnR2》3.8—復位序列，CM4的復位序列跟CM3一樣。—秉火注。
在離開復位狀態后， CM3 做的第一件事就是讀取下列兩個 32 位整數的值：
1、從地址 0x0000,0000 處取出 MSP 的初始值。
2、從地址 0x0000,0004 處取出 PC 的初始值——這個值是復位向量， LSB 必須是 1。 然后從這個值所對應的地址處取指。
圖 142 復位序列
請注意，這與傳統的 ARM 架構不同——其實也和絕大多數的其它單片機不同。傳統的 ARM 架構總是從 0 地址開始執行第一條指令。它們的 0 地址處總是一條跳轉指令。在 CM3 中，在 0 地址處提供 MSP 的初始值，然后緊跟着就是向量表。向量表中的數值是 32 位的地址，而不是跳轉指令。向量表的第一個條目指向復位后應執行的第一條指令，就是我們剛剛分析的Reset_Handler這個函數。
圖 143 初始化MSP和PC的一個范例
因為 CM3 使用的是向下生長的滿棧，所以 MSP 的初始值必須是堆棧內存的末地址加 1。舉例來說，如果我們的堆棧區域在 0x20007C00-0x20007FFF 之間，那么 MSP 的初始值就必須是 0x20008000。
向量表跟隨在 MSP 的初始值之后——也就是第 2 個表目。要注意因為 CM3 是在 Thumb 態下執行，所以向量表中的每個數值都必須把 LSB 置 1（也就是奇數）。正是因為這個原因，圖 143中使用0x101 來表達地址 0x100。當 0x100 處的指令得到執行后，就正式開始了程序的執行（即去到C的世界）。在此之前初始化 MSP 是必需的，因為可能第 1 條指令還沒來得及執行，就發生了 NMI 或是其它 fault。 MSP 初始化好后就已經為它們的服務例程准備好了堆棧。
現在，程序就進入了我們熟悉的C世界，現在我們也應該明白main並不是系統執行的第一個程序了。
14.5 每課一問
1、啟動文件的主要作用是什么？
2、FLASH地址0存放的是什么？
3、熟悉啟動文件里面的ARM匯編指令