ARM启动流程及启动代码分析

2024-03-31 18:15:04

一、ARM的启动流程

基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统。这种复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的。需要由软件来设置其需要的工作状态。因此在用户的应用程序之前，需要由专门的一段代码来完成对系统的初始化。由于这类代码直接面对处理器内核和硬件控制器进行编程，一般都是用汇编语言。一般通用的内容包括：

中断向量表
初始化存储器系统
初始化堆栈
初始化有特殊要求的端口,设备
初始化用户程序执行环境
改变处理器模式
呼叫主应用程序

二、ARM的启动文件

以stm32的启动文件为例，stm32的启动文件一般都是包含在具体单片机型号的汇编文件中（.s文件），下图为启动文件的简述(description)

和我们预想的差不多，该启动文件主要包含了初始化堆栈、初始化程序指针（PC）、初始化中断向量表、配置系统时钟和外部Sram（可选）、跳转到main函数

三、启动文件代码具体分析

第一部分配置堆和栈的大小（Stack_size Heap_size）如上图

AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ；定义栈，可初始为0，8字节对齐 (堆代码类似相同功能)
Stack_Mem SPACE Stack_Size ；分配0x400个连续字节，并初始化为0 (堆代码类似相同功能)
__initial_sp ；汇编代码地址标号 (堆代码类似相同功能)
PRESERVE8 ；指定当前文件堆栈8字节对齐
THUMB ；告诉汇编器下面是32为的Thumb指令，如果需要汇编器将插入位以保证对齐

第二部分定义中断向量表

 AREA    RESET, DATA, READONLY ;定义复位向量段，只读
    EXPORT  __Vectors   ；定义一个可以在其他文件中使用的全局标号。此处表示中断地址
    __Vectors       DCD     __initial_sp                  ; 给__initial_sp分配4字节32位的地址0x0
                DCD     Reset_Handler           ; 给标号Reset Handler分配地址为0x00000004
                DCD     NMI_Handler            ; 给标号NMI Handler分配地址0x00000008
                DCD     HardFault_Handler        ; Hard Fault Handler
                DCD    ……
    __Vectors_End

【注】DCD表示分配一段内存单元，并用指令的数据初始化

第三部分Reset_Handler 及假异常处理程序的定义

AREA |.text|, CODE, READONLY ；代码段定义为只读

Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit				//把SystemInit 的地址加载到寄存器R0。
                 BLX     R0								//程序跳转到R0 中的地址执行程序
                 LDR     R0, =__main					//把_main 的地址加载到寄存器R0
                 BX      R0								//程序跳转到R0 中的地址执行程序，执行完毕之后就去到我们熟知的C 世界。
                 ENDP									//表示子程序的结束

//PROC 定义了一个叫 Reset_Handler 的子程序
//EXPORT 表示Reset_Handler 这个子程序可供其他模块调用
//关键字[WEAK] 表示弱定义，如果编译器发现在别处定义了同名的函数，则在链接时用别处的地址进行链接，如果其它地方没有定义，编译器也不报错，以此处地址进行链接。
//IMPORT通知编译器要使用的标号在其他文件
//SystemInit为运行时库提供的函数，完成系统初始化
//__main为运行时库提供的函数,完成堆栈,堆的初始化
其他的中断处理子程序称为假异常处理子程序（ Dummy Exception Handlers）默认为死循环可以被重新定义

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .						//原地跳转（死循环）
                ENDP

第四部分堆和栈的初始化

                 IF      :DEF:__MICROLIB		//“DEF”的用法——:DEF:X 就是说X定义了则为真，否则为假											//__MICROLIB编译选项表示是否受用了MICROLIB的C库而非标准C库                
                 EXPORT  __initial_sp
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit
                
                 ELSE
                
                 IMPORT  __use_two_region_memory
                 EXPORT  __user_initial_stackheap
                 
__user_initial_stackheap

                 LDR     R0, =  Heap_Mem					//R0地址指向堆起始地址
                 LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)		//R1地址指向栈最高地址
                 LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)		//R2地址指向堆最高地址
                 LDR     R3, = Stack_Mem					//R1地址指向栈起始地址
                 BX      LR

                 ALIGN

                 ENDIF

                 END

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