STM32启动分析之main函数是怎样跑起来的
1、STM32启动规则
- STM32根据boot0和boot1的电平决定启动位置，boot0=0时从主Flash启动，即0x08000000地址启动。
- 按照spec，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），中断向量表的顺序：栈顶、复位向量、中断向量.....。所以复位时0x00000000（映射在0x08000000）的值为栈顶指针，0x00000004（映射在0x08000004）是复位向量。
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
- STM32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）。
- STM32启动过程主要分5步：
- 初始化堆栈指针SP=_initial_sp
- 初始化PC指针=Reset_Handler
- 初始化中断向量表 Vector Table
- 配置系统时钟 SystemInit
- 初始化c的runtime，例如调_main初始化堆栈，最后调main函数进入用户C程序
2、MDK目标文件
1）MDK中C程序编译后的结果，即可执行文件数据分类：
- RAM
- ZI
- bss 存储未初始化的或初始化为0的全局变量和静态变量
- heap 堆，系统malloc和free操作的内存
- stack 栈，存储函数临时局部变量
- RW
- data 已经初始化且不为0的全局变量和静态变量
- ZI
- FLASH
- RO
- text 代码段，CPU指令，字符串字面值、常数等，keil中叫Code段
- constdata const常量，keil中叫RO-data
- RO
2）目标文件中各类型数据的存储位置
-
ZI-data 在bss段，ZI数据全为0，所以没有必要占用Flash空间，运行时占用RAM。
-
RW-data在RAM中，掉电丢失，所以需要启动时从FLASH拷贝到RAM中去，所以RW占FLASH空间。
-
由上我们得知keil的编译结果：
程序占用 Flash = Code + RO data + RW data
程序运行时候占用 RAM = RW data + ZI data。
Code + RO data + RW data 的大小也是生成的 bin 文件的大小 -
类似的，GCC的编译结果：
Memory region Used Size Region Size %age Used
FLASH: 480 B 32 KB 1.46%
RAM: 1200 B 4 KB 29.30%
Flash 的大小：Flash = text + data 。
RAM大小：RAM = data + bss。
3、STM32 startup.s 文件分析
1、栈分配
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
其中：
- EQU 是伪指令，不生产具体的目标文件，相当于定义了一个宏定义提高可读性。
- ARER 开辟一段代码段或数据段，后面的关键字表示这个段的属性：
- STACK ： 表示这个段的名字，可以任意命名。
- NOINIT： 表示此数据段不需要填入初始数据。
- READWRITE：表示此段可读可写。
- ALIGN=3： 表示首地址按照2的3次方对齐，所以栈空间是8字节对齐的.
- SPACE Stack_Memd 段分配 Stack_Size 的空间。
- __initial_sp 是标号代表地址位置，即栈顶位置。
3、堆分配
Heap_Size EQU 0x00000200
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem SPACE Heap_Size
__heap_limit
PRESERVE8
THUMB
具体的含义和栈分配相似，开辟空间Heap_Mem，大小为Heap_Size。__heap_base和__heap_limit分别表示堆的起点和终点。
PRESERVE8 指当前文件字节对其。ALIGN 伪指令表示对齐填充，可能的取值为2的幂，如 1 、2 、4 、8 、16 等。未跟数字如ALIGN 表示对齐到1个字（2字节）。
THUMB 表示使用的指令集。
4、vector table
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY # 定义了RESET区域为READONLY即存储在Flash。
EXPORT __Vectors # 中断向量表入口地址，EXPORT 是指该变量可以被导出，外部可以使用
EXPORT __Vectors_End # 中断向量表的结束地址
EXPORT __Vectors_Size # 中断向量表的大小
下面开始建立中断向量表。
中断向量表类似一个全是函数指针的数组，每个函数指针代表对应中断号的中断处理程序入口。
向量表的起点是栈顶。DCD是定义一个word（4字节）的空间。
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
//省略中断向量表
__Vectors_End
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors # 相减计算中断向量表的size
AREA |.text|, CODE, READONLY # 定义了一个只读的名为 .txt的代码段
; Reset handler
Reset_Handler PROC # PROC 汇编程序开始，ENDP汇编程序结束
EXPORT Reset_Handler [WEAK] # WEAK说明此函数可以被用户重写
IMPORT __main # 从外部文件import一个函数
IMPORT SystemInit
LDR R0, =SystemInit # load SystemInit 函数地址，做系统时钟初始化
BLX R0 # 跳转到 SystemInit 函数执行
LDR R0, =__main # load _main
BX R0 # 跳转到_main执行，此_main非彼main
ENDP
其他一些异常中断函数，简单起见直接使用死循环代替（在可靠性系统中用户应该检测并做特殊处理）。
; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
NMI_Handler PROC
EXPORT NMI_Handler [WEAK]
B .
ENDP
外设中的一些中断函数：
Default_Handler PROC
EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK]
EXPORT TAMPER_IRQHandler [WEAK]
// 省略
DMA2_Channel3_IRQHandler
DMA2_Channel4_5_IRQHandler
B .
ENDP #先都用死循环代替，标记了WEAK用户可以重写，在外设驱动文件中已经包含了这些中断服务程序。
ALIGN
5、堆栈配置与初始化
;------------------------------------------------------------------
; User Stack and Heap initialization
;------------------------------------------------------------------
IF :DEF:__MICROLIB # 如果启用了MDK的微库microLib
EXPORT __initial_sp # 导出这三个变量给外部使用
EXPORT __heap_base
EXPORT __heap_limit
ELSE # 如果没有启动微库
IMPORT __use_two_region_memory # 导入__use_two_region_memory 标号
EXPORT __user_initial_stackheap # 导出__user_initial_stackheap 方法
__user_initial_stackheap # 标号，表示堆栈初始化程序入口
LDR R0, = Heap_Mem # 堆空间起点（向上增长）
LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) # 栈尾部（向下增长）
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) # 堆大小
LDR R3, = Stack_Mem # 栈空间起点
BX LR
ALIGN
ENDIF
END
4、Keil MDK main函数启动
- main()函数是第一个被执行的函数吗？
- 除了system_init初始化了系统时钟，mian函数启动前还发生了什么？
在startup.s文件中，跳转到_main，这个_main并不是c的main函数，而是编译器内置的一个c库函数，内部执行了三个步骤：初始化rw段，初始化zi段，调用另一个c库函数__rt_entry()。
__rt_entry()该函数先初始化堆栈和库函数，然后即调用主函数main()，从而进入用户程序。可以看出主函数main()若退出，则在__rt_entry()最后会再调用exit()函数进行退出操作。
什么是__rt_entry？标准库或ARM文档有如下描述。
详情见：https://developer.arm.com/documentation/dui0475/m/the-c-and-c---library-functions-reference/--rt-entry
所以main函数既不是c程序第一个执行的函数，也不是c程序最后一个执行的函数。在main启动前，标准库已经做了很多工作，当跳转mian时，堆栈已经完成了初始化、C运行时环境已经就绪。
__rt_entry
The symbol __rt_entry is the starting point for a program using the ARM C library.
Control passes to __rt_entry after all scatter-loaded regions have been relocated to their execution addresses.
Usage
1. The default implementation of __rt_entry:
2. Sets up the heap and stack.
3. Initializes the C library by calling __rt_lib_init.
4. Calls main().
5. Shuts down the C library, by calling __rt_lib_shutdown.
6. Exits.
__rt_entry must end with a call to one of the following functions:
exit()
Calls atexit()-registered functions and shuts down the library.
__rt_exit()
Shuts down the library but does not call atexit() functions.
_sys_exit()
Exits directly to the execution environment. It does not shut down the library and does not call atexit() functions.
startup.s文件中，DCD定义了76个中断服务函数入口，76*4=304=0x130。所以在汇编文件中，Flash地址0x08000000起点是DEC中断函数入口，0x08000130 位置是代码起点。如果进行代码调试跟踪，可以发现这段汇编代码实现的是堆和栈的初始化。
启用微库时的初始化过程，其中__scatterload 即对堆栈进行初始化，对比不启用微库的汇编程序，指令条目数已大幅缩减：
0x080007D8 2000 MOVS r0,#0x00
0x080007DA E001 B 0x080007E0
0x080007DC C101 STM r1!,{r0}
0x080007DE 1F12 SUBS r2,r2,#4
0x080007E0 2A00 CMP r2,#0x00
0x080007E2 D1FB BNE 0x080007DC
0x0800012C 015F DCW 0x015F
0x0800012E 0800 DCW 0x0800
__main:
0x08000130 F8DFD00C LDR.W sp,[pc,#12] ; @0x08000140
_main_scatterload:
0x08000134 F000F82E BL.W __scatterload (0x08000194)
__main_after_scatterload:
0x08000138 4800 LDR r0,[pc,#0] ; @0x0800013C
0x0800013A 4700 BX r0
0x0800013C 0969 DCW 0x0969
0x0800013E 0800 DCW 0x0800
__rt_final_cpp:
0x08000140 0428 DCW 0x0428
0x08000142 2000 DCW 0x2000
151: LDR R0, =SystemInit
0x08000144 4806 LDR r0,[pc,#24] ; @0x08000160
152: BLX R0
0x08000146 4780 BLX r0
153: LDR R0, =__main
0x08000148 4806 LDR r0,[pc,#24] ; @0x08000164
154: BX R0
155: ENDP
156:
157: ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
158:
159: NMI_Handler PROC
160: EXPORT NMI_Handler [WEAK]
0x0800014A 4700 BX r0
161: B .
162: ENDP
不启用微库时的初始化过程，启动代码大大增加。
0x08000130 F000F802 BL.W __scatterload (0x08000138)
0x08000134 F000F847 BL.W __rt_entry (0x080001C6)
0x08000138 A00A ADR r0,{pc}+4 ; @0x08000164
0x0800013A E8900C00 LDM r0,{r10-r11}
0x0800013E 4482 ADD r10,r10,r0
0x08000140 4483 ADD r11,r11,r0
0x08000142 F1AA0701 SUB r7,r10,#0x01
0x08000146 45DA CMP r10,r11
0x08000148 D101 BNE 0x0800014E
0x0800014A F000F83C BL.W __rt_entry (0x080001C6)
0x0800014E F2AF0E09 ADR.W lr,{pc}-0x07 ; @0x08000147
0x08000152 E8BA000F LDM r10!,{r0-r3}
0x08000156 F0130F01 TST r3,#0x01
0x0800015A BF18 IT NE
0x0800015C 1AFB SUBNE r3,r7,r3
0x0800015E F0430301 ORR r3,r3,#0x01
0x08000162 4718 BX r3
0x08000164 1244 DCW 0x1244
0x08000166 0000 DCW 0x0000
0x08000168 1264 DCW 0x1264
0x0800016A 0000 DCW 0x0000
0x0800016C 3A10 SUBS r2,r2,#0x10
0x0800016E BF24 ITT CS
0x08000170 C878 LDMCS r0!,{r3-r6}
0x08000172 C178 STMCS r1!,{r3-r6}
0x08000174 D8FA BHI __scatterload_copy (0x0800016C)
0x08000176 0752 LSLS r2,r2,#29
0x08000178 BF24 ITT CS
0x0800017A C830 LDMCS r0!,{r4-r5}
0x0800017C C130 STMCS r1!,{r4-r5}
0x0800017E BF44 ITT MI
0x08000180 6804 LDRMI r4,[r0,#0x00]
0x08000182 600C STRMI r4,[r1,#0x00]
0x08000184 4770 BX lr
0x08000186 0000 MOVS r0,r0
0x08000188 2300 MOVS r3,#0x00
0x0800018A 2400 MOVS r4,#0x00
0x0800018C 2500 MOVS r5,#0x00
0x0800018E 2600 MOVS r6,#0x00
0x08000190 3A10 SUBS r2,r2,#0x10
0x08000192 BF28 IT CS
0x08000194 C178 STMCS r1!,{r3-r6}
0x08000196 D8FB BHI 0x08000190
0x08000198 0752 LSLS r2,r2,#29
0x0800019A BF28 IT CS
0x0800019C C130 STMCS r1!,{r4-r5}
0x0800019E BF48 IT MI
0x080001A0 600B STRMI r3,[r1,#0x00]
0x080001A2 4770 BX lr
_printf_d:
0x080001A4 2964 CMP r1,#0x64
0x080001A6 F000807D BEQ.W _printf_int_dec (0x080002A4)
_printf_percent_end:
0x080001AA 2000 MOVS r0,#0x00
0x080001AC 4770 BX lr
__rt_lib_init:
0x080001AE B51F PUSH {r0-r4,lr}
__rt_lib_init_fp_1:
0x080001B0 E89D0003 LDM sp,{r0-r1}
0x080001B4 F000FB6C BL.W _init_alloc (0x08000890)
__rt_lib_init_atexit_1:
0x080001B8 F000F93A BL.W _initio (0x08000430)
__rt_lib_init_alloca_1:
0x080001BC BD1F POP {r0-r4,pc}
__rt_lib_shutdown:
0x080001BE B510 PUSH {r4,lr}
__rt_lib_shutdown_stdio_2:
0x080001C0 F000F99F BL.W _terminateio (0x08000502)
__rt_lib_shutdown_fp_trap_1:
0x080001C4 BD10 POP {r4,pc}
__rt_entry:
0x080001C6 F000FA02 BL.W __user_setup_stackheap (0x080005CE)
0x080001CA 4611 MOV r1,r2
__rt_entry_li:
0x080001CC F7FFFFEF BL.W __rt_lib_init (0x080001AE)
__rt_entry_main:
0x080001D0 F001F89A BL.W main (0x08001308)
0x080001D4 F000FB06 BL.W exit (0x080007E4)
__rt_exit:
0x080001D8 B403 PUSH {r0-r1}
__rt_exit_ls:
0x080001DA F7FFFFF0 BL.W __rt_lib_shutdown (0x080001BE)
__rt_exit_exit:
0x080001DE BC03 POP {r0-r1}
0x080001E0 F000FCE8 BL.W _sys_exit (0x08000BB4)
151: LDR R0, =SystemInit
0x080001E4 4809 LDR r0,[pc,#36] ; @0x0800020C
152: BLX R0
0x080001E6 4780 BLX r0
153: LDR R0, =__main
0x080001E8 4809 LDR r0,[pc,#36] ; @0x08000210
154: BX R0
155: ENDP
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