STM32是如何软硬件结合，编译后怎么样一步步运行起来的5个

fannifu

STM32是如何软硬件结合，编译后怎么样一步步运行起来的5个例程


不知道大家有没有疑惑，为什么软件能控制硬件？本文分析STM32单片机到底是如何软硬件结合的，分析单片机程序如何编译，运行。软硬件结合初学者，通常有一个困惑，就是为什么软件能控制硬件？就像当年的51，为什么只要写P1=0X55，就可以在IO口输出高低电平？要理清这个问题，先要认识一个概念：地址空间。寻址空间什么是地址空间呢？所谓的地址空间，就是PC指针的寻址范围，因此也叫寻址空间。

大家应该都知道，我们的电脑有32位系统和64位系统之分，为什么呢？因为32位系统，PC指针就是一个32位的二进制数，也就是0xffffffff，范围只有4G寻址空间。现在内存越来越大，4G根本不够，所以需要扩展，为了能访问超出4G范围的内存，就有了64位系统。STM32是多少位的？是32位的，因此PC指针也是32位，寻址空间也就是4G。

我们来看看STM32的寻址空间是怎么样的。在数据手册《STM32F407_数据手册.pdf》中有一个图，这个图，就是STM32的寻址空间分配。所有的芯片，都会有这个图，名字基本上都是叫Memory map，用一个新芯片，就先看这个图。

• 最左边，8个block，每个block 512M，总共就是4G，也就是芯片的寻址空间。
• block 0 里面有一段叫做FLASH，也就是内部FLASH，我们的程序就是下载到这个地方，起始地址是0X800 0000，大家注意，这个只有1M空间。现在STM32已经有2M flash的芯片了，超出1M的FLASH放在哪里呢？请自行查看对应的芯片手册。
• 3 在block 1 内，有两段SRAM，总共128K，这个空间，也就是我们前面说的内存，存放程序使用的变量。如果需要，也可以把程序放到SRAM中运行。407不是有196K吗？
• 其实407有196K内存，但是有64k并不是普通的SRAM，而是放在block 0 内的CCM。这两段区域不连续，而且，CCM只能内核使用，外设不能使用，例如DMA就不能用CCM内存，否则就死机。
• block 2，是Peripherals，也就是外设空间。我们看右边，主要就是APB1/APB2、AHB1/AHB2，什么东西呢？回头再说。
• block 3、block4、block5，是FSMC的空间，FSMC可以外扩SRAM，NAND FALSH，LCD等外设。
  
  

好的，我们分析了寻址空间，我们回过头看看，软件是如何控制硬件的。对于这个疑惑，也可以看此文：代码是如何控制硬件的？在IO口输出的例程中，我们配置IO口是调用库函数，我们看看库函数是怎么做的。例如：
GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3);这个函数其实就是对一个变量赋值，对GPIOx这个结构体的成员BSRRL赋值。

1. void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin){ /* Check the parameters */ assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx)); assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
   
2. GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;}

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assert_param:这个是断言，用于判断输入参数是否符合要求GPIOx是一个输入参数，是一个GPIO_TypeDef结构体指针，所以，要用->获取其成员

GPIOx是我们传入的参数GPIOG，具体是啥？在stm32f4xx.h中有定义。

1. #define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)GPIOG_BASE  //同样在文件中有定义，如下：
   
2. #define GPIOG_BASE           (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800)AHB1PERIPH_BASE //AHB1地址，有点眉目了吧？在进一步看看
   
3. /*!< Peripheral memory map */

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再找找PERIPH_BASE的定义

1. #define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)   

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到这里，我们可以看出，操作IO口G，其实就是操作0X40000000+0X1800这个地址上的一个结构体里面的成员。说白了，就是操作了这个地方的寄存器。实质跟我们操作普通变量一样，就像下面的两句代码，区别就是变量i是SRAM空间地址，0X40000000+0X1800是外设空间地址。

1. <div>u32 i;</div><div>i = 0x55aa55aa;</div>

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这个外设空间地址的寄存器是IO口硬件的一部分。关于如下图STM32的GPIO文章推荐：STM32中GPIO工作原理详解。如下图，左边的输出数据寄存器，就是我们操作的寄存器（内存、变量），它的地址就是0X40000000+0X1800+0x14.

控制其他外设也类似，就是将数据写到外设寄存器上，跟操作内存一样，就可控制外设了。

寄存器，其实应该是内存的统称，外设寄存器应该叫做特殊寄存器。慢慢的，所有人都把外设的叫做寄存器，其他的统称内存或RAM。寄存器为什么能控制硬件外设呢？因为，初略的说，一个寄存器的一个BIT，就是一个开关，开就是1，关就是0。通过这个电子开关去控制电路，从而控制外设硬件。

纯软件-包罗万象的小程序我们已经完成了串口和IO口的控制，但是我们仅仅知道了怎么用，对其他一无所知。程序怎么跑的？关于程序是怎么在单片机运行的，也可以看此视频：动画演示单片机是如何跑程序的。代码到底放在那里？内存又是怎么保存的？下面，我们通过一个简单的程序，学习嵌入式软件的基本要素。分析启动代码

• 函数从哪里开始运行？
  
  

每个芯片都有复位功能，复位后，芯片的PC指针（一个寄存器，指示程序运行位置，对于多级流水线的芯片，PC可能跟真正执行的指令位置不一致，这里暂且认为一致）会复位到固定值，一般是0x00000000，在STM32中，复位到0X08000004。因此复位后运行的第一条代码就是0X08000004。前面我们不是拷贝了一个启动代码文件到工程吗？startup_stm32f40_41xxx.s，这个汇编文件为什么叫启动代码？因为里面的汇编程序，就是复位之后执行的程序。在文件中，有一段数据表，称为中断向量，里面保存了各个中断的执行地址。复位，也是一个中断。芯片复位时，芯片从中断表中将Reset_Handler这个值（函数指针）加载到PC指针，芯片就会执行Reset_Handler函数了。（一个函数入口就是一个指针）

1. <div>; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset                </div><div>AREA    RESET, DATA, READONLY                </div><div>EXPORT  __Vectors                </div><div>EXPORT  __Vectors_End                </div><div>EXPORT  __Vectors_Size __Vectors      </div><div>DCD  __initial_sp               ; Top of Stack                </div><div>DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler                </div><div>DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler                </div><div>DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler                </div><div>DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler                </div><div>DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler                </div><div>DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault </div>

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HandlerReset_Handler函数，先执行SystemInit函数，这个函数在标准库内，主要是初始芯片时钟。然后跳到__main执行，__main函数是什么函数？是我们在main.c中定义的main函数吗？后面我们再说这个问题。


芯片是怎么知道开始就执行启动代码的呢？或者说，我们如何把这个启动代码放到复位的位置？这就牵涉到一个一般情况下不关注的文件wujique.sct，这个文件在wujique\prj\Objects目录下，通常把这个文件叫做分散加载文件，编译工具在链接时，根据这个文件放置各个代码段和变量。在MDK软件Options菜单Linker下有关于这个菜单的设置。


把Use Memory Layout from Target Dialog前面的勾去掉，之前不可设置的框都可以设置了。点击Edit进行编辑。

在代码编辑框出现了分散加载文件内容，当前文件只有基本的内容。

其实这个文件功能很强大，通过修改这个文件可以配置程序的很多功能，例如：1 指定FLASH跟RAM的大小于起始位置，当我们把程序分成BOOT、CORE、APP，甚至进行驱动分离的时候，就可以用上了。2 指定函数与变量的位置，例如把函数加载到RAM中运行。

从这个基本的分散加载文件我们可以看出：

• 第6行 ER_IROM1 0x08000000 0x00080000定义了ER_IROM1，也就是我们说的内部FLASH，从0x08000000开始，大小0x00080000。
• 第7行.o (RESET, +First)从0x08000000开始，先放置一个.o文件， 并且用(RESET, +First)指定RESET块优先放置，RESET块是什么？请查看启动代码，中断向量就是一个AREA，名字叫RESET，属于READONLY。这样编译后，RESET块将放在0x08000000位置，也就是说，中断向量就放在这个地方。DCD是分配空间，4字节，第一个就是__initial_sp，第二个就是Reset_Handler函数指针。也就是说，最后编译后的程序，将Reset_Handler这个函数的指针（地址），放在0x800000+4的地方。所以芯片在复位的时候，就能找到复位函数Reset_Handler。
• 第8行 *(InRoot$$Sections)什么鬼？GOOGLE啊！回头再说。
• 第9行 .ANY (+RO)意思就是其他的所有RO，顺序往后放。就是说，其他代码，跟着启动代码后面。
• 第11行 RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000定义了RAM大小。
• 第12行 .ANY (+RW +ZI)所有的RW ZI，全部放到RAM里面。RW,ZI，也就是变量，这一行指定了变量保存到什么地址。
  
  

分析用户代码到此，基本启动过程已经分析完。下一步开始分析用户代码，就从main函数开始。1 程序跳转到main函数后:RCC_GetClocksFreq获取RCC时钟频率；SysTick_Config配置SysTick，在这里打开了SysTick中断，10毫秒一次。Delay(5);延时50毫秒。

1. int main(void)

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1. 
   

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3 在while(1)中调用TestFun函数，这个函数使用两个全局变量，两个局部变量。 TestFun(TestTmp2);
/

1. * Private functions ---------------------------------------------------------*/

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然后程序就一直在main函数的while循环里面执行。中断呢？对，还有中断。中断中断，就是中断正常的程序执行流程。相关文章：STM32中断系统。我们查看Delay函数，uwTimingDelay不等于0就死等？谁会将uwTimingDelay改为0？

1. /**

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搜索uwTimingDelay变量，函数TimingDelay_Decrement会将变量一直减到0。

1. <div>/**</div><div> * @brief  Decrements the TimingDelay variable. </div><div> * @param  None </div><div> * @retval None </div><div> */</div><div>
   
2. </div><div>void TimingDelay_Decrement(void)</div><div>{</div><div>  if (uwTimingDelay != 0x00)</div><div>  {</div><div>    uwTimingDelay--;</div><div>  }</div><div>}</div>

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这个函数在哪里执行？经查找，在SysTick_Handler函数中运行。谁用这个函数？

1. /**

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经查找，在中断向量表中有这个函数，也即是说这个函数指针保存在中断向量表内。当发生中断时，就会执行这个函数。当然，在进出中断会有保存和恢复现场的操作。这个主要涉及到汇编，暂时不进行分析了。有兴趣自己研究研究。通常，现在我们开发程序不用关心上下文切换了。

1. __Vectors      

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SysTick Handler余下问题1 __main函数是什么函数？是我们在main.c中定义的main函数吗？2 分散加载文件中*(InRoot$$Sections)是什么？3 ZI段，也就是初始化为0的数据段，什么时候初始化？谁初始化？为什么这几个问题前面留着不说？因为这是同一个问题。顺藤摸瓜！通过MAP文件了解代码构成编译结果程序编译后，在下方的Build Output窗口会输出信息：

1. *** Using Compiler 'V5.06 update 5 (build 528)', folder: 'C:\Keil_v5\ARM\ARMCC\Bin'Build target 'wujique'compiling stm32f4xx_it.c

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• 编译目标是wujique
• C文件compiling，汇编文件assembling，这个过程叫编译
• 编译结束后，就进行link，链接。
• 最后得到一个编译结果，9038字节code，RO 990，RW 40，ZI 6000。CODE，是代码，很好理解，那RO、RW、ZI都是什么？
• FromELF，创建hex文件，FromELF是一个好工具，需要自己添加到option中才能用
  

map文件配置更多编译具体信息在map文件中，在MDK Options中我们可以看到，所有信息都放在\Listings\wujique.map

默认很多编译信息可能没钩，钩上所有信息会增加编译时间。

map文件打开map文件，好乱？习惯就好。我们抓重点就行了。

• map 总信息
  
  

从最后看起，看到没？最后的这一段map内容，说明了整个程序的基本概况。有多少RO？RO到底是什么？有多少RW?RW又是什么？ROM为什么不包括ZI Data？为什么包含RW Data？

• Image component sizes
  
  

往上，看看Image component sizes，这个就比刚刚的总体统计更细了。这部分内容，说明了每个源文件的概况首先，是我们自己的源码，这个程序我们的代码不多，只有main.o，wujique_log.o，和其他一些STM32的库文件。
第2部分是库里面的文件，看到没？里面有一个main.o。main函数是不是我们写的main函数？明显不是，我们的main函数是放在main.o文件。这么小的一个工程，用了这么多库，你以前关注过吗？估计没有，除非你曾经将一个原本在1M flash上的程序压缩到能在512K上运行。

第3部分也是库，暂时没去分析这两个是什么东西。

库文件是什么？库文件就是别人已经别写好的代码库。在代码中，我们经常会包含一些头文件，例如：#include <stdarg.h>

1. #include <stdlib.h>

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#include <string.h>  这些就是库的头文件。这些头文件保存在MDK开发工具的安装目录下。我们经常用的库函数有：memcpy、memcmp、strcmp等。只要代码中包含了这些函数，就会链接库文件。

• 文件map
  
  

再往上，就是文件MAP了，也就时每个文件中的代码段（函数）跟变量在ROM跟RAM中的位置。首先是ROM在0x08000000确实放的是startup_stm32f40_41xxx.o中的RESET

库文件是什么？

库文件就是别人已经别写好的代码库。在代码中，我们经常会包含一些头文件，例如：

1. #include <stdarg.h>

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这些就是库的头文件。相关文章：C语言中的头文件。这些头文件保存在MDK开发工具的安装目录下。我们经常用的库函数有：memcpy、memcmp、strcmp等。只要代码中包含了这些函数，就会链接库文件。

• 文件map
  

再往上，就是文件MAP了，也就时每个文件中的代码段（函数）跟变量在ROM跟RAM中的位置。首先是ROM在0x08000000确实放的是startup_stm32f40_41xxx.o中的RESET

每个文件有有多行，例如串口，4个函数。

然后是RAM的，main.o中的变量，放在0x20000000，总共有0x0000000c，类型是Data、RW。串口有两种变量，data和bss，什么是bss？这两个名称，是section name，也就是段的意思。看前面type和Attr，RW Data，放在.data段；RW Zero放在.bss段，RW Zero，其实就是ZI。到底哪些变量是RW，哪些是ZI？

• Image Symbol Table
  
  

再往上就是Image Symbol Table，就更进一步到每个函数或者变量的信息了

例如，全局变量TestTmp1，是Data，4字节，分配的位置是0x20000004。

TestTmp3数组放在哪里？放在0X080024E0这个地方，这可是代码区额。因为我们用const修饰了这个全局变量数组，告诉编译器，这个数组是不可以改变的，编译器就将这个数组保存到代码中了。程序中我们经常会使用一些大数组数据，例如字符点阵，通常有几K几十K大，不可能也没必要放到RAM区，整个程序运行过程这些数据都不改变，因此通过const修饰，将其存放到代码区。

const的用处比较多，可以修饰变量，也可以修饰函数。更多用法自行学习

那局部变量存放在哪里呢？我们找到了test_tmp3，

没找到test_tmp1/test_tmp2，为什么呢？在定义时，test_tmp3增加了static定义，意思就是静态局部变量，功能上，相当于全局变量，定义在函数内，限制了这个全局变量只能在这个函数内使用。哪test_tmp1、test_tmp2放在哪里呢？ 局部变量，在编译链接时，并没有分配空间，只有在运行时，才从栈分配空间。

1. u8 TestFun(u32 x)//函数，带一个参数，并返回一个u8值

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bss是英文Block Started by Symbol的简称。

到这里，我们可解释下面几个概念了：

Code就是代码，函数。RO Data，就是只读变量，例如用const修饰的数组。RW Data，就是读写变量，例如全局变量跟static修饰的局部变量。ZI Data，就是系统自动初始化为0的读写变量，大部分是数组，放在bss段。RO Size等于代码加只读变量。RW Size等于读写变量（包括自动初始化为0的），这个也就是RAM的大小。ROM Size，也就是我们编译之后的目标文件大小，也就是FLASH的大小。但是？为什么会包含RW Data呢？因为所有全局变量都需要一个初始化的值（就算没有真正初始化，系统也会分配一个初始化空间），例如我们定义一个变量u8 i = 8;这样的全局变量，8，这个值，就需要保存在FALSH区。

我们看看函数的情况，前面我们不是有一个问题吗？__main和main是一个函数吗？查找main后发现，main是main，放在0x08000579


main是main，放在0x08000189

__main到main之间发生了什么？还记得分散加载文件中的这句吗？
*(InRoot$$Sections)__main就在这个段内。下图是__main的地址，在0x08000189。__Vectors就是中断向量，放在最开始。

在分散加载文件中，紧跟RESET的就是*(InRoot$$Sections)。

而且，RESET段正好大小0x00000188。

巧合？可以参考PPT文档《ARM嵌入式软件开发.ppt》。

这一段代码都完成什么功能呢？主要完成ZI代码的初始化，也就是将一部分RAM初始化为0。其他环境初始化……最后到这里，一个程序，是怎么组成的，程序是如何运行的，基本有一个总体印象了。