底层软件 | STM32启动分析之main函数是怎样跑起来的

应届生面试，基本上嵌入式一般都是基于32的项目，记得我当年面大疆的就是有这个题目。

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 StackDCD     Reset_Handler              ; Reset HandlerDCD     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
- 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
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     0x00000200AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limitPRESERVE8THUMB

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 ResetAREA    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 StackDCD     Reset_Handler              ; Reset HandlerDCD     NMI_Handler                ; NMI HandlerDCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault HandlerDCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault HandlerDCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault HandlerDCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault HandlerDCD     0                          ; ReservedDCD     0                          ; ReservedDCD     0                          ; ReservedDCD     0                          ; ReservedDCD     SVC_Handler                ; SVCall HandlerDCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor HandlerDCD     0                          ; ReservedDCD     PendSV_Handler             ; PendSV HandlerDCD     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sizeAREA    |.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  SystemInitLDR     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 _mainBX      R0  # 跳转到_main执行，此_main非彼mainENDP

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     PROCEXPORT  NMI_Handler                [WEAK]B       .ENDP

外设中的一些中断函数：

Default_Handler PROCEXPORT  WWDG_IRQHandler            [WEAK]EXPORT  PVD_IRQHandler             [WEAK]EXPORT  TAMPER_IRQHandler          [WEAK]
// 省略
DMA2_Channel3_IRQHandler
DMA2_Channel4_5_IRQHandlerB       .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microLibEXPORT  __initial_sp    # 导出这三个变量给外部使用EXPORT  __heap_baseEXPORT  __heap_limitELSE  # 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      LRALIGNENDIFEND

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      0x2000151:                 LDR     R0, =SystemInit 
0x08000144 4806      LDR      r0,[pc,#24]  ; @0x08000160152:                 BLX     R0                
0x08000146 4780      BLX      r0153:                 LDR     R0, =__main 
0x08000148 4806      LDR      r0,[pc,#24]  ; @0x08000164154:                 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       r0161:                 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]  ; @0x0800020C152:                 BLX     R0                
0x080001E6 4780      BLX      r0153:                 LDR     R0, =__main 
0x080001E8 4809      LDR      r0,[pc,#36]  ; @0x08000210154:                 BX      R0 155:                 ENDP