近段时间由于在做ucos-iii的移植,所以就顺便了解下STM32的启动过程。经过查阅各种官方文献和对代码进行单步跟踪,详细地叙述了STM32加电启动的具体过程。对于关键性的语句都指明了出处。下面将学习成果分享给大家,由于笔者知识有限,不当之处敬请指出。
为了更好的说明问题,先来看STM32的内存映射(以STM32L1xx为例)
由于固定的内存映射,代码区(code area)从0x00000000开始,通过指令总线(ICode Bus)和数据总线(DCode Bus)访问。数据区(SRAM)从0x20000000开始,通过系统总线(System Bus)访问。Cortex™-M3 CPU总是通过指令总线(ICode Bus)取得复位向量,这就意味着启动空间(boot space)只能处于代码区(code area),典型的就是Flash。STM32系列使用了一种特殊的机制,能够从代码区以外的区域启动(如,内部的SRAM)。(《cortex-m3编程指南》)
这就意味着,STM32系列可以有3种启动模式,由BOOT1与BOOT0的设置决定选择Flash、System memory还是SRAM作为启动空间(boot space)。
STM32把从0x00000000到0x0005FFFF的区域作为启动空间(boot space)的别名区。
从上面两个表中可以看出:
当从主闪存(Main Flash memory)启动时,启动空间别名区映射到Flash。
当从系统内存(System memory)启动时,启动空间别名区映射到System memory。
当从内部SRAM(Embedded SRAM)启动时,启动空间别名区映射到SRAM。
注:默认是这样的映射关系,但上述的映射关系启动后可以由软件修改(通过修改SYSCFG启动器的MEM_MODE位域)。
这样,Flash、System memory和SRAM分别可以从别名区和原始地址处访问。
Flash:访问地址为0x00000000或0x08000000
System memory:访问地址为0x00000000或0x1FF00000
SRAM:启动时地址为0x00000000或0x20000000(STM32Fxx的参考手册上说,启动后只能在0x20000000开始访问,即启动后这个映射消失,需要重定位中断向量表,这是特例)
System memory内置了ST提供的boot loader,可以通过该boot loader下载程序到Flash中。
用户程序实际只能存储在Flash中,且能在Flash和SRAM中执行(因为cortex-m3核采用哈佛结构,代码可直接在Flash运行,冯•诺依曼结构则必须将代码拷贝至RAM运行)。
Flash就像是电脑的硬盘,用于存储代码。
System memory就像是电脑的ROM,里面的程序有芯片厂商写好,用户不可改写。
SRAM就像是电脑的内存,里面的数据都是动态的,掉电就丢失的,用于建立堆栈等。
对于用户代码来说,只需要考虑从Flash启动和从SRAM启动两种情况。
了解上述映射关系之后,就可以讨论中断向量表了。
Cortex-m3核的中断向量表是不变的(中断向量表每一项为4个字节,中断向量表的第一项:栈顶,中断向量表的第二项:复位向量……,中断向量表每项内容可以看官方的启动文件,或者查看相关的手册),只需要用户设定表头的地址。
默认情况下,从Flash启动,中断向量表从Flash的起始地址(0x08000000)开始存放。同时映射到0x00000000处。向量表偏移寄存器(VTOR)的值为0x00000000(实际映射到0x08000000)。
若从SRAM启动,中断向量表还是存放在Flash中(Flash才能固化存储,SRAM只能加电才有效),只不过拷贝到SRAM的首地址0x20000000处。此时向量表偏移寄存器(VTOR)的值也是0x00000000(实际映射到0x20000000)。而启动过程结束后,这个特殊的映射不复存在了(据参考手册推测的),所以,需要修改向量表偏移寄存器(VTOR)的值为0x20000000以后的值(其中TBLOFF位域要是0x200的倍数,这个是字对齐的要求(见《cortex-m3编程手册》),由于STM32的中断向量一共有68+16=84个,应该把这个数增加到下一个2的整数倍即128,然后换算成地址范围128*4=512,就得到了0x200),以便处理中断。
因此,无论用哪种模式启动,复位时栈顶指针总能在0x00000000(或0x08000000)处找到,而复位向量总能在0x00000004(或0x08000004)处找到。
又根据《cortex-m3编程手册》,复位时,CPU从0x00000000处获取栈顶指针MSP(默认使用主堆栈),从0x00000004处获取程序计数器PC(复位向量)。则印证了上述说法。
下面通过追踪STM32L1xx标准外设库V1.2.0(STM32L1xx_StdPeriph_Lib_V1.2.0)中的启动文件startup_stm32l1xx_md.s来验证上述说法。
先复位CPU,从寄存器窗口可以看到:
R13(SP)的值为0x20000FC0(MSP),R15(PC)的值为0x08000420。这两个值就是地址0x00000000和地址0x00000004处存放的内容。由于是从Flash启动,所以,实际上也就是0x08000000和0x08000004处存放的内容。可以从内存窗口中看出:
内存地址 | 内容 |
0x00000000 | C0H |
0x00000001 | 0FH |
0x00000002 | 00H |
0x00000003 | 20H |
0x00000004 | 21H |
0x00000005 | 04H |
0x00000006 | 00H |
0x00000007 | 08H |
从0x00000000处,取出1个字(32位,4个字节),为0x20000FC0,是堆栈指针SP的值。
从0x00000004处,取出1个字(32位,4个字节),为0x08000421,而PC指针读回0x08000420
它把末位的1变成了0,这个是由于内存对齐造成的,因为cortex-m3核PC的LSB一定读回0,因此指令至少是半字对齐的(《cortex-m3编程手册》)。
同样的结果在反汇编窗口也可以得到:
继续跟踪:此时程序寻址到PC指针指示的地址0x08000420处执行
此处,指令 LDR R0,=SystemInit 将函数SystemInit的入口地址传给R0,从反汇编窗口可以看到指令被写成LDR r0,[pc,#36],表明SystemInit的入口地址在存放在PC指针偏移36处,即0x08000420(+0x4)+0x24=0x08000448(因为CM3内部使用了指令流水线,读PC时返回的值是当前指令的地址+4《Cortex™-M3权威指南》)下一条指令在0x08000422处,BLX R0 将R0的值传给PC(必须保证加载到PC的数值是奇数(即LSB=1),传给PC后,PC的LSB读回0),调用SystemInit函数。这个函数里面开启了外部晶振,设置了PLL,除能了所有中断,设置了时钟为32MHz,并且重定位中断向量表在0x08000000处(这句在Flash启动时可以不需要,因为能从0x00000000映射到0x08000000)。从该函数返回后,用同样的方式调用C/C++标准实时库的__main函数,进行了一些处理(如用户堆栈初始化等,具体可以跟踪汇编代码,这部分网上已有过分析,不再赘述)后,调用main函数,进入C语言环境。
关于启动文件的中断向量表部分:
以上是在建立中断向量表(DCD伪指令表明,为每个中断向量分配了1个字的连续空间)。
实际上,对启动文件分析的资料已经很多,也足够详细,此处就不再赘述了。
基于上面分析,可以总结STM32启动的大体过程。
1、上电复位,CPU从0x00000000处获取栈顶指针MSP(默认使用主堆栈),从0x00000004处获取程序计数器PC(复位向量)。
2、MSP指针必然指向SRAM区的,因为堆栈必须建立在该区。
3、根据PC的值找到复位中断处理函数Reset_Handler
4、调用SystemInit函数。
5、调用__main函数,初始化用户堆栈
6、调用main函数,进入C语言环境
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