嵌入式之详解：startup.S文件

前言

我们在实际嵌入式软件开发过程中，大多数都是直接使用，关于其内部底层以及汇编了解甚少。刚好把笔记记录在博客上，方便复习以及分享给需要帮助的人。
本章将从两部分：1 MCU上电->执行startup.s； 2 startup.s代码解析。

不必担心，走你~

一、MCU上电

1、上电复位

• 当 32 位 MCU 上电时，电源电压会从 0V 开始上升，直到达到稳定的工作电压。在这个过程中，复位电路会监测电源电压的变化。一旦电源电压达到复位电路的触发阈值，复位电路会产生一个复位信号。
• 复位信号会将 MCU 的内部状态进行重置，包括将所有的寄存器恢复到初始状态，程序计数器（PC）也会被设置为一个特定的地址，这个地址通常是 MCU 的复位向量地址，对于很多 32 位 ARM Cortex - M 系列的 MCU，这个地址是0x00000000。

2、复位向量表

• 在 MCU 的 Flash 或 ROM 的起始地址（即复位向量地址）处，存放着一个向量表。向量表是一个包含多个异常向量的表格，每个异常向量都是一个 32 位的地址，指向相应异常处理程序的入口地址。
• 向量表的第一个条目是初始栈指针（MSP）的值，第二个条目是复位处理程序的入口地址。当 MCU 复位后，程序计数器（PC）会被设置为复位向量地址，然后 MCU 会从这个地址开始读取数据。首先，MCU 会将向量表中第一个地址处存储的值加载到主堆栈指针（MSP）寄存器中，完成堆栈指针的初始化，确保后续的函数调用和中断处理有正确的堆栈空间可用。接着，MCU 会从向量表的第二个地址处获取复位处理程序的入口地址，并将这个地址加载到程序计数器（PC）中，从而跳转到复位处理程序的入口。

3、跳转到复位处理程序

• 复位处理程序的入口地址通常指向startup.s文件中的Reset_Handler标签处。因此，MCU 会跳转到startup.s文件中的Reset_Handler开始执行代码。

4、执行startup.s文件

• 中断屏蔽：在Reset_Handler中，首先会执行cpsid i指令，用于屏蔽中断。这是为了防止在初始化过程中，外部中断干扰 MCU 的正常初始化操作。
• 寄存器初始化：将一些通用寄存器（如r1 - r12）初始化为 0，为后续的操作提供一个已知的初始状态。
• 内存初始化：
• RamInit0 阶段：调用RamInit0函数，该函数主要进行一些与内存相关的初始化操作，例如 ECC（错误纠正码）的初始化。
• 堆栈指针初始化：将STACK_end所代表的地址加载到堆栈指针（SP，即r13）中，完成堆栈的初始化。
• RamInit1 阶段：调用RamInit1函数，该函数通常用于将数据段从 Flash 复制到 SRAM，并将 BSS 段清零。数据段包含已初始化的全局变量，BSS 段包含未初始化的全局变量。
• 向量表复制（可选）：如果没有定义__NO_VECTOR_TABLE_COPY宏，会调用VectorTableCopy函数，将中断向量表从 Flash 复制到 RAM 中，以提高中断响应速度。
• 系统初始化（可选）：如果没有定义__NO_SYSTEM_INIT宏，会调用SystemInit函数，用户可以在该函数中初始化 PLL（锁相环）等，以调整系统时钟，提高 MCU 的运行速度。
• RamInit2 阶段：调用RamInit2函数，进行其他内存相关的初始化操作。
• 中断使能：执行cpsie i指令，重新使能中断，允许 MCU 响应外部中断。
• 调用主函数：使用bl main指令调用main函数，进入用户编写的主程序，开始执行具体的应用任务。
  通过以上步骤，32 位 MCU 从上电开始，经过复位、初始化等一系列操作，最终执行到startup.s文件中的代码，并完成系统的初始化，进入用户程序的执行阶段。

二、startup.s代码解析

这段代码是来自于云途YTM32B1LE0x系列的，其它也类似。

/*
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 *  bound by the applicable license terms, then you may not retain, install,
 *  activate or otherwise use the software. The production use license in
 *  Section 2.3 is expressly granted for this software.
 * 
 * @file startup.S
 * @brief 
 * 
 */

    .syntax unified
    .arch armv6-m

    .thumb
/* Reset Handler */
    .thumb_func
    .align 2
    .globl   Reset_Handler
    .type    Reset_Handler, %function
_start:
Reset_Handler:
    cpsid   i               /* Mask interrupts */

    /* Init the rest of the registers */
    ldr     r1,=0
    ldr     r2,=0
    ldr     r3,=0
    ldr     r4,=0
    ldr     r5,=0
    ldr     r6,=0
    ldr     r7,=0
    mov     r8,r7
    mov     r9,r7
    mov     r10,r7
    mov     r11,r7
    mov     r12,r7

 
    /* RamInit 0 Stage, focus on ecc init, asm code*/
    bl     RamInit0

    /* Initialize the stack pointer */
    ldr     r0,=STACK_end
    mov     r13,r0

    /* RamInit 1 Stage, focus on copy data,clear bss, c code*/
    ldr     r0,=RamInit1
    blx     r0

    /* Copy Vector Table for interrupt, c code */
#ifndef __NO_VECTOR_TABLE_COPY
    /* Call the to copy vector table from flash to ram */
    ldr     r0,=VectorTableCopy
    blx     r0
#endif
    /* SystemInit, user can init PLL to speed up left startup code, c code*/
#ifndef __NO_SYSTEM_INIT
    /* Call the system init routine */
    ldr     r0,=SystemInit
    blx     r0
#endif
    /* RamInit 2 Stage, focus on others ram init, c code */
    ldr     r0,=RamInit2
    blx     r0

    /* Unmask interrupts */
    cpsie   i               

    /* Call the main routine */
    bl      main
JumpToSelf:
    b       JumpToSelf

1、汇编指令和架构声明

```asm
.syntax unified
.arch armv6-m
.thumb

• .syntax unified：指定使用统一的汇编语法，这样可以在ARM和Thumb指令集之间更方便地切换。
• .arch armv6-m：指定目标架构为ARMv6-M，这是Cortex - M系列微控制器常用的架构。
• .thumb：表示后续的代码使用Thumb指令集，Thumb指令集具有更高的代码密度。

2、复位处理函数定义

```asm
.thumb_func
.align 2
.globl   Reset_Handler
.type    Reset_Handler, %function
_start:
Reset_Handler:

• .thumb_func：声明这是一个Thumb指令集的函数。
• .align 2：将函数的起始地址对齐到2的倍数，即按字对齐。
• .globl Reset_Handler：声明 Reset_Handler 为全局符号，这样其他文件可以引用它。
• .type Reset_Handler, %function：指定 Reset_Handler 是一个函数。
• _start 和 Reset_Handler 是同一个入口点，当单片机复位时，程序会从这里开始执行。

3、中断屏蔽

```asm
cpsid   i               /* Mask interrupts */

• cpsid i：这是一条指令，用于屏蔽中断（i 表示IRQ中断）。在初始化过程中，通常会先屏蔽中断，以防止中断干扰初始化操作。

4、寄存器初始化

```asm
/* Init the rest of the registers */
ldr     r1,=0
ldr     r2,=0
ldr     r3,=0
ldr     r4,=0
ldr     r5,=0
ldr     r6,=0
ldr     r7,=0
mov     r8,r7
mov     r9,r7
mov     r10,r7
mov     r11,r7
mov     r12,r7

• 这部分代码将寄存器 r1 到 r12 初始化为0。通过 ldr 指令将立即数0加载到 r1 到 r7 中，然后使用 mov 指令将 r7 的值复制到 r8 到 r12 中。

5、第一阶段内存初始化（RamInit0）

```asm
/* RamInit 0 Stage, focus on ecc init, asm code*/
bl     RamInit0

• bl RamInit0：这是一条带链接的跳转指令，调用 RamInit0 函数。该函数可能是用于内存的第一阶段初始化，重点是ECC（错误纠正码）的初始化，并且是用汇编语言编写的。

6、堆栈指针初始化

```asm
/* Initialize the stack pointer */
ldr     r0,=STACK_end
mov     r13,r0

• ldr r0,=STACK_end：将符号 STACK_end 所代表的地址加载到寄存器 r0 中。STACK_end 通常是栈的结束地址。
• mov r13,r0：将 r0 的值（即栈的结束地址）赋值给 r13，r13 是堆栈指针（SP），这样就完成了堆栈指针的初始化。

7、第二阶段内存初始化（RamInit1）

```asm
/* RamInit 1 Stage, focus on copy data,clear bss, c code*/
ldr     r0,=RamInit1
blx     r0

• ldr r0,=RamInit1：将 RamInit1 函数的地址加载到寄存器 r0 中。
• blx r0：带链接的跳转并根据目标地址的最低位决定使用ARM还是Thumb指令集，调用 RamInit1 函数。该函数主要用于数据段的复制和BSS段的清零，是用C语言编写的。

8、向量表复制（可选）

```asm
/* Copy Vector Table for interrupt, c code */
#ifndef __NO_VECTOR_TABLE_COPY
/* Call the to copy vector table from flash to ram */
ldr     r0,=VectorTableCopy
blx     r0
#endif

• #ifndef __NO_VECTOR_TABLE_COPY：如果没有定义 __NO_VECTOR_TABLE_COPY 宏，则执行下面的代码。
• ldr r0,=VectorTableCopy：将 VectorTableCopy 函数的地址加载到寄存器 r0 中。
• blx r0：调用 VectorTableCopy 函数，该函数用于将中断向量表从Flash复制到RAM中，是用C语言编写的。

9、系统初始化（可选）

```asm
/* SystemInit, user can init PLL to speed up left startup code, c code*/
#ifndef __NO_SYSTEM_INIT
/* Call the system init routine */
ldr     r0,=SystemInit
blx     r0
#endif

• #ifndef __NO_SYSTEM_INIT：如果没有定义 __NO_SYSTEM_INIT 宏，则执行下面的代码。
• ldr r0,=SystemInit：将 SystemInit 函数的地址加载到寄存器 r0 中。
• blx r0：调用 SystemInit 函数，用户可以在该函数中初始化PLL（锁相环）等，以加速后续的启动代码，该函数是用C语言编写的。

10、第三阶段内存初始化（RamInit2）

```asm
/* RamInit 2 Stage, focus on others ram init, c code */
ldr     r0,=RamInit2
blx     r0

• ldr r0,=RamInit2：将 RamInit2 函数的地址加载到寄存器 r0 中。
• blx r0：调用 RamInit2 函数，该函数用于内存的第三阶段初始化，重点是其他内存相关的初始化，是用C语言编写的。

11、中断使能

```asm
/* Unmask interrupts */
cpsie   i               

• cpsie i：这是一条指令，用于使能中断（i 表示IRQ中断）。在完成初始化后，重新使能中断，允许系统响应外部中断。

12、调用主函数

```asm
/* Call the main routine */
bl      main

• bl main：带链接的跳转指令，调用 main 函数，进入用户编写的主程序。

13、无限循环

```asm
JumpToSelf:
b       JumpToSelf

• 如果 main 函数执行完毕返回，程序会跳转到 JumpToSelf 标签处，然后不断地跳转到自身，形成一个无限循环，防止程序跑飞。

总结

综上所述，这段启动代码的主要功能是在单片机复位后，依次完成中断屏蔽、寄存器初始化、内存初始化、系统初始化等操作，最后调用 main 函数进入用户程序，并在必要时使能中断。