目錄
- LibOpenCM3(一) Linux下命令行開發環境配置
- LibOpenCM3(二) 項目模板 Makefile分析
- LibOpenCM3(三) .ld文件(連接器腳本)和startup代碼說明
- LibOpenCM3(四) VSCode IDE 環境配置
- LibOpenCM3(五) 基礎功能: 系統時鍾, GPIO, 定時器
說明
要了解 libopencm3 的代碼結構, 需要先了解它編譯和連接產生固件的機制和啟動文件, 這部分和 CMSIS 不一樣
ld, Linker script, 連接器腳本文件
在 2020-11-29 的改動 drop all part specific ld files之前, 在 lib/stm32/f0 - f7 目錄下, 可以看到各個型號的ld文件, 在這個提交中刪除了所有具體型號的ld文件, 改為編譯中使用腳本生成. 在用戶的代碼目錄下可以看到生成的ld文件. 以下說明ld文件的功能和內容.
連接器的工作機制
MCU執行程序的過程中, 執行指令的順序只有兩種: 順序執行和跳轉.
在生成匯編代碼時會把各個函數和變量分塊, 並在前面寫上對應的標號, 例如 START, 最后由編譯器將START程序處的地址裝入寫有 START標號跳轉指令的地方. 這就是一個連接的過程.
對應C代碼被編譯為二進制執行文件的過程:
- C語言轉換為匯編代碼 file.c -> file.asm
- 匯編編譯 產生 .o 文件 file.o 帶有未解析地址的中間文件
- 連接器將.o 文件排列填入到對應的存儲地址中, 並記錄其函數和變量對應的地址, 使得其他函數能夠跳轉到該函數的入口地址.
最終的排列順序和地址, 可以通過.map文件查看.
ld 文件的功能和結構
以ld為擴展名的文件是針對具體MCU的連接器腳本(Linker script), 是連接器使用的規則文件, 最關鍵的一點是指定了 flash 和 RAM 的起始位置和大小.
連接器腳本用於在link階段, 告訴linker(連接器)關於生成固件時的存儲布局, 指示連接器將不同的機器碼保存到固件的對應位置. 在連接階段通過 -Tscriptname.ld參數傳遞給連接器.
連接器腳本會包含以下的內容
- Memory layout 內存布局
- Entry point definition 程序入口定義
- Section definitions 各存儲區的定義(定義Flash、RAM中代碼和數據的存放位置)
ld 文件的示例代碼說明
以下以 libopencm3 的 STM32F103x8 ld 文件為例
/* Linker script for STM32F103x8, 64k flash, 20k RAM. */
/* Define memory regions. 定義片上存儲在地址空間的起始位置和大小 */
MEMORY
{
rom (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K
ram (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
}
/* Enforce emmition of the vector table. 聲明中斷向量表 */
EXTERN (vector_table)
/* Define the entry point of the output file. 定義程序入口, 程序將從 reset_handler 開始執行 */
ENTRY(reset_handler)
/* Define sections. */
SECTIONS
{
/** .text對應程序的可執行代碼 */
.text : {
*(.vectors) /* Vector table 中斷向量表 */
*(.text*) /* Program code 程序代碼 */
. = ALIGN(4); /* 4字節對齊 */
*(.rodata*) /* 只讀數據, 程序中使用的常量數據 */
. = ALIGN(4); /* 4字節對齊, 對應一個32bit字 */
} >rom
/* C++ Static constructors/destructors, also used for __attribute__
* ((constructor)) and the likes
* .preinit_array, .init_array, .fini_array 指向構造函數和解構函數的指針數組
*/
.preinit_array : {
. = ALIGN(4);
__preinit_array_start = .;
/* KEEP() 這個函數用在SECTIONS內部, 用於連接階段的垃圾回收(--gc-sections參數開啟), 在創建依賴樹時定義這部分為root節點,
* 標記為在使用, 這樣連接器就會保留這部分內存, 哪怕里面沒有變量被引用.
*
* The KEEP statement within a linker script will instruct the linker to keep the specified section,
* even if no symbols inside it are referenced. This statement is used within the SECTIONS section of the
* linker script. This becomes relevant when garbage collection is performed at link time, enabled by
* passing the --gc-sections switch to the linker. The KEEP statement instructs the linker to use the
* specified section as a root node when creating a dependency graph, looking for unused sections.
* Essentially forcing the section to be marked as used.
* This statement is commonly seen in linker scripts targeting the ARM architecture for placing the
* interrupt vector table at offset 0x00000000. Without this directive the table, which might not be
* referenced explicitly in code, would be pruned out.
*/
KEEP (*(.preinit_array))
__preinit_array_end = .;
} >rom
.init_array : {
. = ALIGN(4);
__init_array_start = .;
KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
KEEP (*(.init_array))
__init_array_end = .;
} >rom
.fini_array : {
. = ALIGN(4);
__fini_array_start = .;
KEEP (*(.fini_array))
KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
__fini_array_end = .;
} >rom
/*
* Another section used by C++ stuff, appears when using newlib with
* 64bit (long long) printf support
*
* C++使用的部分, 當使用帶64位printf支持的newlib時需要
*/
.ARM.extab : {
*(.ARM.extab*)
} >rom
.ARM.exidx : {
__exidx_start = .;
*(.ARM.exidx*)
__exidx_end = .;
} >rom
. = ALIGN(4);
_etext = .;
/**
* .data對應已初始化的全局變量, 編譯后位於可執行文件中, 由啟動代碼加載到數據區中
* 在單片機中這部分數據會存於flash中, 由啟動代碼把這部分內容拷貝到RAM
*/
.data : {
_data = .;
*(.data*) /* Read-write initialized data */
. = ALIGN(4);
_edata = .;
} >ram AT >rom
_data_loadaddr = LOADADDR(.data);
/* .bss段是沒有初始值的全局變量, 由啟動代碼把這部分內容全初始化為0 */
.bss : {
*(.bss*) /* Read-write zero initialized data */
*(COMMON)
. = ALIGN(4);
_ebss = .;
} >ram
/*
* The .eh_frame section appears to be used for C++ exception handling.
* You may need to fix this if you're using C++.
*/
/DISCARD/ : { *(.eh_frame) }
. = ALIGN(4);
end = .;
}
PROVIDE(_stack = ORIGIN(ram) + LENGTH(ram));
ld 相關參考資料
- GCC linker script and STM32(a tutorial)
- Linker Scripts
- Understanding the linkerscript for an ARM Cortex-M microcontroller
- Understand the GNU linker script of cortex M4
- Understand the GNU assembler startup file of cortex M4
啟動文件
關於stm32的啟動文件
啟動文件就是 MCU 在執行 main 函數前將系統初始化並把 PC(程序計數器, 當前執行代碼位置的指針)設置到 main 函數的文件.
Cortex-M3 內核中, 程序的執行會從 flash 首地址的第一位開始, 先取出 MSP (棧頂地址指針寄存器)的數值, 然后取出復位中斷函數的地址並跳轉過去.
libopencm3 和 CMSIS 不一樣, 沒有使用匯編代碼的startup文件, 而是用 vector.c 生成startup文件, 這個文件位於 lib/cm3/ 目錄下.
啟動文件 vector.c
以下是對啟動文件 vector.c 代碼的說明
#include <libopencm3/cm3/scb.h>
// 在頭文件中聲明中斷項列表的類型 vector_table_t
#include <libopencm3/cm3/vector.h>
// 根據不同的芯片, 引入 pre_main() 方法, STM32F1 沒有對應的方法
/* load optional platform dependent initialization routines */
#include "../dispatch/vector_chipset.c"
// 弱定義, 會被實際值覆蓋
/* load the weak symbols for IRQ_HANDLERS */
#include "../dispatch/vector_nvic.c"
/* Less common symbols exported by the linker script(s): */
typedef void (*funcp_t) (void);
extern funcp_t __preinit_array_start, __preinit_array_end;
extern funcp_t __init_array_start, __init_array_end;
extern funcp_t __fini_array_start, __fini_array_end;
// 主函數聲明
int main(void);
// while循環函數, 空阻塞函數
void blocking_handler(void);
// 空函數
void null_handler(void);
// 定義中斷向量表, 定義各個中斷對應的處理函數
__attribute__ ((section(".vectors")))
vector_table_t vector_table = {
.initial_sp_value = &_stack,
.reset = reset_handler,
.nmi = nmi_handler, // Non maskable interrupt 不可屏蔽中斷
.hard_fault = hard_fault_handler, // All classes of fault.
/* Those are defined only on CM3 or CM4 */
#if defined(__ARM_ARCH_7M__) || defined(__ARM_ARCH_7EM__)
.memory_manage_fault = mem_manage_handler, // Memory management.
.bus_fault = bus_fault_handler, // Pre-fetch fault, memory access fault.
.usage_fault = usage_fault_handler, // Undefined instruction or illegal state.
.debug_monitor = debug_monitor_handler,
#endif
.sv_call = sv_call_handler, // System service call via SWI instruction, (Software Interrupt, SWI)軟件中斷指令用於產生軟中斷, 實現從用戶模式變換到管理模式
.pend_sv = pend_sv_handler, // Pendable request for system service. 可掛起的中斷
.systick = sys_tick_handler, // System tick timer
.irq = {
IRQ_HANDLERS // 中斷向量的定義在芯片的irq.json中, 定義在 irq2nvic_h 腳本生成lib目錄下對應型號下的 vector_nvic.c
}
};
// reset_handler 是連接器腳本中定義的程序執行入口, 下面的代碼是具體的實現
void __attribute__ ((weak)) reset_handler(void)
{
volatile unsigned *src, *dest;
funcp_t *fp;
for (src = &_data_loadaddr, dest = &_data;
dest < &_edata;
src++, dest++) {
*dest = *src;
}
while (dest < &_ebss) {
*dest++ = 0;
}
/* Ensure 8-byte alignment of stack pointer on interrupts */
/* Enabled by default on most Cortex-M parts, but not M3 r1 */
SCB_CCR |= SCB_CCR_STKALIGN;
/* might be provided by platform specific vector.c */
pre_main();
/* Constructors. */
for (fp = &__preinit_array_start; fp < &__preinit_array_end; fp++) {
(*fp)();
}
for (fp = &__init_array_start; fp < &__init_array_end; fp++) {
(*fp)();
}
/* Call the application's entry point. */
(void)main();
/* Destructors. */
for (fp = &__fini_array_start; fp < &__fini_array_end; fp++) {
(*fp)();
}
}
void blocking_handler(void)
{
while (1);
}
void null_handler(void)
{
/* Do nothing. */
}
#pragma weak nmi_handler = null_handler
#pragma weak hard_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak sv_call_handler = null_handler
#pragma weak pend_sv_handler = null_handler
#pragma weak sys_tick_handler = null_handler
/* Those are defined only on CM3 or CM4 */
#if defined(__ARM_ARCH_7M__) || defined(__ARM_ARCH_7EM__)
#pragma weak mem_manage_handler = blocking_handler
#pragma weak bus_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak usage_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak debug_monitor_handler = null_handler
#endif