STM32启动文件浅析

STM32启动文件简介

STM32启动文件由ST官方提供，在官方的固件包里。启动文件由汇编编写，是系统上电复位后第一个执行的程序。

启动文件主要做了以下工作：

1. 初始化堆栈指针 SP = _initial_sp
2. 初始化程序计数器指针 PC = Reset_Handler
3. 设置堆和栈的大小
4. 初始化中断向量表
5. 配置外部SRAM作为数据存储器（可选）
6. 配置系统时钟，通过调用SystemInit函数（可选）
7. 调用C库中的 _main 函数初始化用户堆栈，最终调用 main 函数

ARM指针寄存器 —— 堆栈指针寄存器SP、程序计数器PC、连接寄存器LR

堆栈指针R13（SP）：每一种异常模式都有其自己独立的R13，它通常指向异常模式所专用的堆栈，也就是说五种异常模式、非异常模式（用户模式和系统模式），都有各自独立的堆栈，用不同的堆栈指针来索引。这样当ARM进入异常模式的时候，程序就可以把一般通用寄存器压入堆栈，返回时再出栈，保证了各种模式下程序的状态的完整性；

连接寄存器R14（LR）：每种模式下R14都有自身版组，它有两个特殊功能；

1. 保存子程序返回地址；使用BL或BLX时，跳转指令自动把返回地址放入R14中；子程序通过把R14复制到PC来实现返回，通常用下列指令之一：

   MOV PC, LR
   BX LR
   

   通常子程序这样写，保证了子程序中还可以调用子程序：

   stmfd sp!, {lr}
   ...
   ldmfd sp!, {pc}
   

2. 当异常发生时，异常模式的R14用来保存异常返回地址，将R14：如栈可以处理嵌套中断

程序计数器R15（PC）：PC是有读写限制的，当没有超过读取限制的时候，读取的值是指令的地址加上8个字节，由于ARM指令总是以字对齐的，故bit[1:0]总是00。当用str或stm存储PC的时候，偏移量有可能是8或12等其它值。

ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理与存储器系统之间的操作更加流畅，连续，能提供0.9MIPS/MHZ的指令执行速度。

在随机存储器区划出一块区域作为堆栈区，数据可以一个个顺序地存入（压入）到这个区域之中，这个过程称为压栈（push ）。通常用一个指针（堆栈指针 SP—StackPointer）实现做一次调整，SP总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元（栈顶）。从堆栈中读取数据时，按照堆栈 指针指向的堆栈单元读取堆栈数据，这个过程叫做弹出（pop ），每弹出一个数据，SP 即向相反方向做一次调整，如此就实现了后进先出的原则。

堆栈是计算机中广泛应用的技术，基于堆栈具有的数据进出LIFO特性，常应用于：

1. 保存中断断点；
2. 保存子程序调用返回点；
3. 保存CPU现场数据等；
4. 也用于程序间传递参数；

ARM处理器中通常将寄存器R13作为堆栈指针（SP）。ARM处理器针对不同的模式，共有 6 个堆栈指针（SP），其中用户模式和系统模式共用一个SP，每种异常模式都有各自专用的R13寄存器（SP）。它们通常指向各模式所对应的专用堆栈，也就是ARM处理器允许用户程序有六个不同的堆栈空间。这些堆栈指针分别为R13、R13_svc、R13_abt、R13_und、R13_irq、R13_fiq，如下表堆栈指针寄存器所示。

为了更准确地描述堆栈，根据“压栈”操作时堆栈指针的增减方向，将堆栈区分为‘递增堆栈’（SP 向大数值方向变化）和‘递减堆栈’（SP 向小数值方向变化）；又根据SP 指针指向的存储单元是否含有堆栈数据，又将堆栈区分为‘满堆栈’（SP 指向单元含有堆栈有效数据）和‘空堆栈’（SP 指向单元不含有堆栈有效数据）。

这样两两组合共有四种堆栈方式——满递增、空递增、满递减和空递减。
ARM处理器的堆栈操作具有非常大的灵活性，对这四种类型的堆栈都支持。
ARM处理器中的R13被用作SP。当不使用堆栈时，R13 也可以用做通用数据寄存器。

栈的整体作用

1. 保护现场；
2. 传递参数；
3. 临时变量保存在栈中；

深入理解ARM三个寄存器

PC 代表程序计数器，流水线使用三个阶段，因此指令分为三个阶段执行：

1. 取指：从存储器装载一条指令；
2. 译码：识别将要被执行的指令；
3. 执行：处理指令并将结果写回寄存器；

R15（PC）总是指向 正在取指 的指令：ARM指令是三级流水线，取指、译指、执行是同时进行的，现在PC指向的是正在取指的地址，那么cpu正在译指的指令地址是PC-4（假设在ARM状态 下，一个指令占4个字节），cpu正在执行的指令地址是PC-8，也就是说PC所指向的地址和现在所执行的指令地址相差8。当突然发生中断的时候，保存的是PC的地址这样你就知道了，如果返回的时候返回PC，那么中间就有一个指令没有执行，所以用 SUB pc lr -lrq #4

启动文件中的一些指令

启动文件代码详解

下面，我们以 STM32F103 的启动代码为例讲解，版本是：STM32Cube_FW_F1_V1.8.0，
启动文件名称是：startup_stm32f103xe.s。把启动代码分成几个功能段进行详细的讲解，详
情如下

栈空间的开辟

Stack_Size		EQU		0x00000400

				AREA	STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem		SPACE	Stack_Size
__initial_sp

**EQU：**宏定义的伪指令，给数字常量取一个符号名，类似与 C 中的 define。定义栈大小为 0x00000400 字节，即 1024B（1KB），常量的符号是 Stack_Size。

AREA 汇编一个新的代码段或者数据段。段名为 STACK，段名可以任意命名；NOINIT 表示不初始化； READWRITE 表示可读可写；ALIGN=3，表示按照 2^3 对齐，即 8 字节对齐。

SPACE 分配内存指令，分配大小为 Stack_Size 字节连续的存储单元给栈空间。

__initial_sp 紧挨着 SPACE 放置，表示栈的结束地址，栈是从高往低生长，所以结束地址就是栈顶地址。

栈主要用于存放局部变量，函数形参等，属于编译器自动分配和释放的内存，栈的大小不能超过内部 SRAM 的大小。如果工程的程序量比较大，定义的局部变量比较多，那么就需要在启动代码中修改栈的大小，即修改 Stack_Size 的值。如果程序出现了莫名其妙的错误，并进入了 HardFault 的时候，你就要考虑下是不是栈空间不够大，溢出了的问题。

堆空间的开辟

Heap_Size		EQU		0x00000200

				AREA	HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem		SPACE	Heap_Size
__heap_limit

堆空间开辟代码跟栈空间开辟代码是类似的了。这部分代码的意思就是：开辟堆的大小为 0x00000200（512 字节），段名为 HEAP，不初始化，可读可写，（2^3 对齐）8 字节对齐。__heap_base表示堆的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。堆和栈的生长方向相反的，堆是由低向高生长，而栈是从高往低生长。

堆主要用于动态内存的分配，像 malloc()、calloc()和 realloc()等函数申请的内存就在堆上面。堆中的内存一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。

PRESERVE8
THUMB

PRESERVE8：指示编译器按照 8 字节对齐。
THUMB：指示编译器之后的指令为 THUMB 指令。

中断向量表定义（简称：向量表）

中断向量表定义代码

	AREA	RESET, DATA, READONLY
	EXPORT	__Vectors
	EXPORT	__Vectors_End
	EXPORT	__Vectors_Size

定义一个数据段，名字为RESET, READONLY表示只读；EXPORT表示声明一个标号具有全局属性，可被外部的文件使用。这里是声明了__Vectors、__Vectors_End 和 __Vectors_Size 三个标号具有全局性，可被外部的文件使用

当内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程(ESR)就会执行。为了决定 ESR的入口地址， 内核使用了向量表查表机制。向量表其实是一个 WORD（32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0） 处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。

复位程序

中间部分省略，详情请参考《STM32中文参考手册》第九章 中断和事件 中断和异常向量

举个例子，如果发生了异常 SVCall，则 NVIC 会计算出偏移移量是 11x4=0x2C，然后从那里取出服务例程的入口地址并跳入。要注意的是这里有个另类：地址 0x0000 0000 并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值。更详细的向量表，可以参考《STM32中文参考手册》第九章-中断和事件-中断和异常向量

F103 的向量表格中灰色部分是系统内核异常。表格中位置 0 到 59 是外部中断，CM3内核的芯片最大支持 240 个外部中断，具体使用多少个由芯片厂家设计决定。如这个表格中的 103 芯片只是使用了 60 个。这里说的外部中断是相对内核而言

__Vectors		DCD		__initial_sp		;	Top of Stack	(栈顶地址)
				DCD		Reset_Handler		;	Reset Handler	(复位程序地址)
				DCD		NMI_Handler			;	NMI Handler
				DCD		MemManage_Handler	;	H

对于weak的理解

对于_main函数的分析

中断服务程序

用户堆栈初始化

系统启动流程

其他