嵌入式开发系列教程(二) MCU启动过程

CortexM3的启动过程

cpu的基本动作是取指,译码,执行,从第一条指令开始执行,循环往复。可是

  1. 哪一条指令是第一条指令?
  2. 指令都是cpu从存储单元当中取得的,那么第一条指令放置在了哪里?
  3. 我们写的代码都烧写到了flash里面,代码从main函数开始运行,那么main函数的地址是不是第一条指令?

对于CortexM3来讲,他的启动过程是这样的

vector.png
  1. 0x0000 0000地址处取出MSP的初始值
  2. 0x0000 0004地址处取得PC指针初始值,然后执行用户代码。
  3. Vector Table指的是中断向量表,Reset Handler指的是复位向量。从图中我们看出Reset Handler不过是0x0000 0004地址的一个别名,他其中放置的便是CPU上电后要执行的第一条用户代码指令的地址。将这个值加载到PC指针上,cpu跳转执行用户代码。

直观上来讲,CPU应是从0地址去取第一条指令,而这条指令总是一个跳转指令,跳转到用户代码,但M3并不符合直觉。

stm32f103的启动过程

stm32f103作为一个M3核心的单片机,他符合我们上边讲的规则。不过st做了一些扩展

bootspace-map.png
  • Boot Space是对一段内存空间的别名,根据不同的启动条件,映射到不同的存储设备上,但是访问地址一定是0x0000 0000 - 0x0005 FFFF这个区间
  • 当从SRAM启动时,Boot Space映射到SRAM上,即0x0000 00000x2000 0000两个地址是指的同一块空间
  • 当从Flash启动时,Boot Space映射到Flash上
  • 当从System Memory启动(即bootloader)时,Boot Space映射到st公司保留的System Memory上,这是一段ROM,烧写有st的bootloader代码

以上,假设单片机从flash启动,则

  • 0x0000 0000 -> 0x08000 0000地址处取出MSP的初始值
  • 0x0000 0004 -> 0x08000 0004地址处取出PC指针初始值,然后执行用户代码

其实现在我们便可以回答一开始提出的三个问题了。然而我们一直提到中断向量表,那么什么是中断向量表,为什么要有中断向量表呢?

中断向量

我们先来看一下什么是中断

interrupted.png
  • 主循环(main)的代码和中断代码都是CPU执行的
  • 中断随时可能发生
  • CPU在执行主循环指令序列时,如果产生了中断,CPU便会记录当前PC指针,装载中断入口地址,执行中断代码,中断代码执行结束后,手动调用返回指令,CPU便会加载上一次记录的地址(中断前),继续执行原指令序列
  • 手动调用返回指令,在单片机C语言编码过程中,编译器已经帮我们做了,我们感觉不到

我们的主循环代码,中断代码都是烧写到了单片机的flash中的。

code-map.png

cpu跳转到中断处理函数,必然要先知道中断处理函数的入口地址。而我们不可能控制主函数的代码长度。这样的话,中断处理函数的入口地址是无法固化的。那么如何让CPU找到正确的中断入口函数呢?corteM3引入了中断向量的概念

code-map-detail.png
  • interrupt vector table即为中断向量表
  • 我们重述一下启动过程
    • 0x0000 0000地址处取出MSP的初始值
    • 0x0000 0004地址处,即中断向量表中第一个元素,复位向量处取得PC指针初始值,然后执行用户代码
    • 复位向量其实就是0x0000 0004地址单元,放的就是用户代码首地址
  • 当中断发生时,CPU会根据中断号,去中断向量表中找对应的中断入口地址,然后执行中断代码,这样的话,这个表结构,记录了所有的中断入口地址。
__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
                ...

M3芯片的中断设置比上述文章中要复杂,文章的述说方式,为了方便理解省去了相当一部分内容。

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