STM32啟動分析之main函數是怎樣跑起來的

2023-04-15 06:00:53

1、MDK目標檔案

1)MDK中C程式編譯後的結果,即可執行檔案資料分類:

  • RAM
    • ZI
      • bss 儲存未初始化的或初始化為0的全域性變數和靜態變數
      • heap 堆,系統malloc和free操作的記憶體
      • stack 棧,儲存函數臨時區域性變數
    • RW
      • data 已經初始化且不為0的全域性變數和靜態變數
  • FLASH
    • RO
      • text 程式碼段,CPU指令,字串字面值、常數等,keil中叫Code段
      • constdata const常數,keil中叫RO-data

2)目標檔案中各型別資料的儲存位置

  • ZI-data 在bss段,ZI資料全為0,所以沒有必要佔用Flash空間,執行時佔用RAM。

  • RW-data在RAM中,掉電丟失,所以需要啟動時從FLASH拷貝到RAM中去,所以RW佔FLASH空間。

  • 由上我們得知keil的編譯結果:
    程式佔用 Flash = Code + RO data + RW data
    程式執行時候佔用 RAM = RW data + ZI data。
    Code + RO data + RW data 的大小也是生成的 bin 檔案的大小

  • 類似的,GCC的編譯結果:

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。

2、STM32 startup.s 檔案分析

1、棧分配

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

其中:

  • EQU 是偽指令,不生產具體的目標檔案,相當於定義了一個宏定義提高可讀性。
  • ARER 開闢一段程式碼段或資料段,後面的關鍵字表示這個段的屬性:
  • STACK : 表示這個段的名字,可以任意命名。
  • NOINIT: 表示此資料段不需要填入初始資料。
  • READWRITE:表示此段可讀可寫。
  • ALIGN=3: 表示首地址按照2的3次方對齊,所以棧空間是8位元組對齊的.
  • SPACE Stack_Memd 段分配 Stack_Size 的空間。
  • __initial_sp 是標號代表地址位置,即棧頂位置。

2、堆分配

Heap_Size       EQU     0x00000200
                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

                PRESERVE8
                THUMB

具體的含義和棧分配相似,開闢空間Heap_Mem,大小為Heap_Size。__heap_base和__heap_limit分別表示堆的起點和終點。
PRESERVE8 指當前檔案位元組對其。ALIGN 偽指令表示對齊填充,可能的取值為2的冪,如 1 、2 、4 、8 、16 等。未跟數位如ALIGN 表示對齊到1個字(2位元組)。
THUMB 表示使用的指令集。

3、vector table

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
      AREA    RESET, DATA, READONLY # 定義了RESET區域為READONLY即儲存在Flash。
      EXPORT  __Vectors    # 中斷向量表入口地址,EXPORT 是指該變數可以被匯出,外部可以使用
      EXPORT  __Vectors_End  # 中斷向量表的結束地址
      EXPORT  __Vectors_Size # 中斷向量表的大小

下面開始建立中斷向量表。
中斷向量表類似一個全是函數指標的陣列,每個函數指標代表對應中斷號的中斷處理程式入口。
向量表的起點是棧頂。DCD是定義一個word(4位元組)的空間。

__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
//省略中斷向量表
__Vectors_End
__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors  # 相減計算中斷向量表的size
                
AREA    |.text|, CODE, READONLY  # 定義了一個唯讀的名為 .txt的程式碼段
; Reset handler
Reset_Handler   PROC   # PROC 組合程式開始,ENDP組合程式結束
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]  # WEAK說明此函數可以被使用者重寫
                IMPORT  __main      # 從外部檔案import一個函數
                IMPORT  SystemInit
                LDR     R0, =SystemInit  # load SystemInit 函數地址,做系統時鐘初始化
                BLX     R0   # 跳轉到 SystemInit 函數執行
                LDR     R0, =__main   # load _main
                BX      R0  # 跳轉到_main執行,此_main非彼main
                ENDP

其他一些異常中斷函數,簡單起見直接使用死迴圈代替(在可靠性系統中使用者應該檢測並做特殊處理)。

; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP

外設中的一些中斷函數:

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     #先都用死迴圈代替,標記了WEAK使用者可以重寫,在外設驅動檔案中已經包含了這些中斷服務程式。

                ALIGN

4、堆疊初始化

;------------------------------------------------------------------
; User Stack and Heap initialization
;------------------------------------------------------------------
                 IF      :DEF:__MICROLIB  # 如果啟用了MDK的微庫microLib
               
                 EXPORT  __initial_sp    # 匯出這三個變數給外部使用
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit
                
                 ELSE  # 如果沒有啟動微庫
                
                 IMPORT  __use_two_region_memory   # 匯入__use_two_region_memory 標號
                 EXPORT  __user_initial_stackheap  # 匯出__user_initial_stackheap  方法
                 
__user_initial_stackheap  # 標號,表示堆疊初始化程式入口

                 LDR     R0, =  Heap_Mem  # 堆空間起點(向上增長)
                 LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)   # 棧尾部(向下增長)
                 LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)  # 堆大小
                 LDR     R3, = Stack_Mem   # 棧空間起點
                 BX      LR

                 ALIGN
                 ENDIF
                 END

3、Keil MDK main函數啟動

  • main()函數是第一個被執行的函數嗎?
  • 除了system_init初始化了系統時鐘,mian函數啟動前還發生了什麼?

在startup.s檔案中,跳轉到_main,這個_main並不是c的main函數,而是編譯器內建的一個c庫函數,內部執行了三個步驟:初始化rw段,初始化zi段,呼叫另一個c庫函數__rt_entry()。
__rt_entry()該函數先初始化堆疊和庫函數,然後即呼叫主函數main(),從而進入使用者程式。可以看出主函數main()若退出,則在__rt_entry()最後會再呼叫exit()函數進行退出操作。

什麼是__rt_entry?標準庫或ARM檔案有如下描述。
詳情見:https://developer.arm.com/documentation/dui0475/m/the-c-and-c---library-functions-reference/--rt-entry
所以main函數既不是c程式第一個執行的函數,也不是c程式最後一個執行的函數。在main啟動前,標準庫已經做了很多工作,當跳轉mian時,堆疊已經完成了初始化、C執行時環境已經就緒。

__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檔案中,DCD定義了76箇中斷服務函數入口,76*4=304=0x130。所以在組合檔案中,Flash地址0x08000000起點是DEC中斷函數入口,0x08000130 位置是程式碼起點。如果進行程式碼偵錯跟蹤,可以發現這段組合程式碼實現的是堆和棧的初始化。

啟用微庫時的初始化過程,其中__scatterload 即對堆疊進行初始化,對比不啟用微庫的組合程式,指令條目數已大幅縮減:

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 

不啟用微庫時的初始化過程,啟動程式碼大大增加。

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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