STM32裸机编程的基础知识(3)

MCU 启动和向量表

当 STM32F429 MCU 启动时，它会从 flash 存储区最前面的位置读取一个叫作 “向量表” 的东西。“向量表” 的概念所有 ARM MCU 都通用，它是一个包含 32 位中断处理程序地址的数组。对于所有 ARM MCU，向量表前 16 个地址由 ARM 保留，其余的作为外设中断处理程序入口，由 MCU 厂商定义。越简单的 MCU 中断处理程序入口越少，越复杂的 MCU 中断处理程序入口则会更多。

STM32F429 的向量表在数据手册表 62 中描述，我们可以看到它在 16 个 ARM 保留的标准中断处理程序入口外还有 91 个外设中断处理程序入口。

在向量表中，我们当前对前两个入口点比较感兴趣，它们在 MCU 启动过程中扮演了关键角色。这两个值是：初始堆栈指针和执行启动函数的地址（固件程序入口点）。

所以现在我们知道，我们必须确保固件中第 2 个 32 位值包含启动函数的地址，当 MCU 启动时，它会从 flash 读取这个地址，然后跳转到我们的启动函数。

最小固件

现在我们创建一个 main.c 文件，指定一个初始进入无限循环什么都不做的启动函数，并把包含 16 个标准入口和 91 个 STM32 入口的向量表放进去。用你常用的编辑器创建 main.c 文件，并写入下面的内容：

// Startup code
__attribute__((naked, noreturn)) void _reset(void) {
  for (;;) (void) 0;  // Infinite loop
}

extern void _estack(void);  // Defined in link.ld

// 16 standard and 91 STM32-specific handlers
__attribute__((section(".vectors"))) void (*tab[16 + 91])(void) = {
  _estack, _reset
};

对于 _reset() 函数，我们使用了 GCC 编译器特定的 naked 和 noreturn 属性，这意味着标准函数的进入和退出不会被编译器创建，这个函数永远不会返回。

void (*tab[16 + 91])(void) 这个表达式的意思是：定义一个 16+91 个指向没有返回也没有参数的函数的指针数组，每个这样的函数都是一个中断处理程序，这个指针数组就是向量表。

我们把 tab 向量表放到一个独立的叫作 .vectors 的区段，后面需要告诉链接器把这个区段放到固件最开始的地址，也就是 flash 存储区最开始的地方。前 2 个入口分别是：堆栈指针和固件入口，目前先把向量表其它值用 0 填充。

编译

我们来编译下代码，打开终端并执行：

$ arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m4 main.c -c

成功了！编译器生成了 main.o 文件，包含了最小固件，虽然这个固件程序什么都没做。这个 main.o 文件是 ELF 二进制格式的，包含了多个区段，我们来具体看一下：

$ arm-none-eabi-objdump -h main.o
...
Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .text         00000002  00000000  00000000  00000034  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .data         00000000  00000000  00000000  00000036  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000000  00000000  00000000  00000036  2**0
                  ALLOC
  3 .vectors      000001ac  00000000  00000000  00000038  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA
  4 .comment      0000004a  00000000  00000000  000001e4  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .ARM.attributes 0000002e  00000000  00000000  0000022e  2**0
                  CONTENTS, READONLY

注意现在所有区段的 VMA/LMA 地址都是 0，这表示 main.o 还不是一个完整的固件，因为它没有包含各个区段从哪个地址空间载入的信息。我们需要链接器从 main.o 生成一个完整的固件 firmware.elf。

.text 区段包含固件代码，在上面的例子中，只有一个 _reset() 函数，2 个字节长，是跳转到自身地址的 jump 指令。.data 和 .bss(初始化为 0 的数据) 区段都是空的。我们的固件将被拷贝到偏移 0x8000000 的 flash 区，但是数据区段应该被放到 RAM 里，因此 _reset() 函数应该把 .data 区段拷贝到 RAM，并把整个 .bss 区段写入 0。现在 .data 和 .bss 区段是空的，我们修改下 _reset() 函数让它处理好这些。

为了做到这一点，我们必须知道堆栈从哪开始，也需要知道 .data 和 .bss 区段从哪开始。这些可以通过 “链接脚本” 指定，链接脚本是一个带有链接器指令的文件，这个文件里存有各个区段的地址空间以及对应的符号。

链接脚本

创建一个链接脚本文件 link.ld，然后把一下内容拷进去：

ENTRY(_reset);
MEMORY {
  flash(rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048k
  sram(rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 192k  /* remaining 64k in a separate address space */
}
_estack     = ORIGIN(sram) + LENGTH(sram);    /* stack points to end of SRAM */

SECTIONS {
  .vectors  : { KEEP(*(.vectors)) }   > flash
  .text     : { *(.text*) }           > flash
  .rodata   : { *(.rodata*) }         > flash

  .data : {
    _sdata = .;   /* .data section start */
    *(.first_data)
    *(.data SORT(.data.*))
    _edata = .;  /* .data section end */
  } > sram AT > flash
  _sidata = LOADADDR(.data);

  .bss : {
    _sbss = .;              /* .bss section start */
    *(.bss SORT(.bss.*) COMMON)
    _ebss = .;              /* .bss section end */
  } > sram

  . = ALIGN(8);
  _end = .;     /* for cmsis_gcc.h  */
}

下面分段解释下：

ENTRY(_reset);

这行是告诉链接器在生成的 ELF 文件头中 “entry point” 属性的值。没错，这跟向量表重复了，这个的目的是为像 Ozone 这样的调试器设置固件起始的断点。调试器是不知道向量表的，所以只能依赖 ELF 文件头。

MEMORY {
flash(rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048k
sram(rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 192k  /* remaining 64k in a separate address space */
}

这是告诉链接器有 2 个存储区空间，以及它们的起始地址和大小。

_estack     = ORIGIN(sram) + LENGTH(sram);    /* stack points to end of SRAM */

这行告诉链接器创建一个 _estack 符号，它的值是 RAM 区的最后，这也是初始化堆栈指针的值。

.vectors  : { KEEP(*(.vectors)) }   > flash
.text     : { *(.text*) }           > flash
.rodata   : { *(.rodata*) }         > flash

这是告诉链接器把向量表放在 flash 区最前，然后是 .text 区段（固件代码），再然后是只读数据 .rodata。

.data : {
_sdata = .;   /* .data section start */
*(.first_data)
*(.data SORT(.data.*))
_edata = .;  /* .data section end */
} > sram AT > flash
_sidata = LOADADDR(.data);

这是 .data 区段，告诉链接器创建 _sdata 和 _edata 两个符号，我们将在 _reset() 函数中使用它们将数据拷贝到 RAM。

.bss : {
_sbss = .;              /* .bss section start */
*(.bss SORT(.bss.*) COMMON)
_ebss = .;              /* .bss section end */
} > sram

.bss 区段也是一样。

启动代码

现在我们来更新下 _reset 函数，把 .data 区段拷贝到 RAM，然后把 .bss 区段初始化为 0，再然后调用 main() 函数，在 main() 函数有返回的情况下进入无限循环：

int main(void) {
return 0; // Do nothing so far
}

// Startup code
__attribute__((naked, noreturn)) void _reset(void) {
// memset .bss to zero, and copy .data section to RAM region
extern long _sbss, _ebss, _sdata, _edata, _sidata;
for (long *src = &_sbss; src < &_ebss; src++) *src = 0;
for (long *src = &_sdata, *dst = &_sidata; src < &_edata;) *src++ = *dst++;

main();             // Call main()
for (;;) (void) 0;  // Infinite loop in the case if main() returns
}

下面的框图演示了 _reset() 如何初始化 .data 和 .bss：

firmware.bin 文件由 3 部分组成：.vectors(中断向量表)、.text(代码)、.data(数据)。这些部分根据链接脚本被分配到不同的存储空间：.vectors 在 flash 的最前面，.text 紧随其后，.data 则在那之后很远的地方。.text 中的地址在 flash 区，.data 在 RAM 区。例如，一个函数的地址是 0x8000100，则它位于 flash 中。而如果代码要访问 .data 中的变量，比如位于 0x20000200，那里将什么也没有，因为在启动时 firmware.bin 中 .data 还在 flash 里！这就是为什么必须要在启动代码中将 .data 区段拷贝到 RAM。

现在我们可以生成完整的 firmware.elf 固件了：

$ arm-none-eabi-gcc -T link.ld -nostdlib main.o -o firmware.elf

再次检验 firmware.elf 中的区段：

$ arm-none-eabi-objdump -h firmware.elf
...
Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
0 .vectors      000001ac  08000000  08000000  00010000  2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
1 .text         00000058  080001ac  080001ac  000101ac  2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
...

可以看到，.vectors 区段在 flash 的起始地址 0x8000000，.text 紧随其后。我们在代码中没有创建任何变量，所以没有 .data 区段。

烧写固件

现在可以把这个固件烧写到板子上了！

先把 firmware.elf 中各个区段抽取到一个连续二进制文件中：

$ arm-none-eabi-objcopy -O binary firmware.elf firmware.bin

然后使用 st-link工具将firmware.bin 烧入板子，连接好板子，然后执行：

$ st-flash --reset write firmware.bin 0x8000000

这样就把固件烧写到板子上了。