STM32启动分析之main函数是怎样跑起来的

1、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。

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2、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。

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。

3、vector table

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
      AREA    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 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
//省略中断向量表
__Vectors_End
__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors  # 相减计算中断向量表的size

AREA    |.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  SystemInit
                LDR     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 _main
                BX      R0  # 跳转到_main执行，此_main非彼main
                ENDP

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     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP

外设中的一些中断函数：

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

4、堆栈初始化

;------------------------------------------------------------------
; User Stack and Heap initialization
;------------------------------------------------------------------
                 IF      :DEF:__MICROLIB  # 如果启用了MDK的微库microLib

                 EXPORT  __initial_sp    # 导出这三个变量给外部使用
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit

                 ELSE  # 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      LR

                 ALIGN
                 ENDIF
                 END

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3、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：

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]  ; @0x0800020C
   152:                 BLX     R0
0x080001E6 4780      BLX      r0
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