《嵌入式 – GD32开发实战指南》第4章 GD32启动流程详解(Keil版)

开发环境:
MDK:5.30
MCU:GD32F207IK

对于我们常用的桌面操作系统而言,我们在开发应用时,并不关心系统的初始化,绝大多数应用程序是在操作系统运行后才开始运行的,操作系统已经提供了一个合适的运行环境,然而对于嵌入式设备而言,在设备上电后,所有的一切都需要由开发者来设置,这里处理器是没有堆栈,没有中断,更没有外围设备,这些工作是需要软件来指定的,而且不同的CPU类型、不同大小的内存和不同种类的外设,其初始化工作都是不同的。本文将以GD32F207IK (基于Cortex-M3)为例进行讲解。

在开始正式讲解之前,你需要了解ARM寄存器、汇编以及反编译相关的知识,这些可以参考笔者博文。

深入理解ARM寄存器
ARM汇编入门
Keil反编译入门(一)
Keil反编译入门(二)

下面我们就来具体看一下用户从Flash启动GD32的过程,主要讲解从上电复位到main函数的过程。主要有以下步骤:

1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp,初始化 PC 指针=Reset_Handler
2.初始化中断向量表
3.配置系统时钟
4.调用 C 库函数_main 初始化用户堆栈,然后进入 main 函数。

在开始讲解之前,我们需要了解GD32的启动模式。

4.1 GD32的启动模式

首先要讲一下GD32的启动模式,因为启动模式决定了向量表的位置,GD32有三种启动模式:
1)主闪存存储器(Main Flash)启动:从GD32内置的Flash启动(0x0800 0000-0x0807 FFFF),一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时,就是下载到这个里面,重启后也直接从这启动程序。以0x08000000 对应的内存为例,则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x08000000 操作,且都是操作的同一块内存。

2)系统存储器(System Memory)启动:从系统存储器启动(0x1FFFF000 – 0x1FFF F7FF),这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说,我们选用这种启动模式时,是为了从串口下载程序,因为在厂家提供的ISP程序中,提供了串口下载程序的固件,可以通过这个ISP程序将用户程序下载到系统的Flash中。以0x1FFFFFF0对应的内存为例,则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x1FFFFFF0操作,且都是操作的同一块内存。

3)片上SRAM启动:从内置SRAM启动(0x2000 0000-0x3FFFFFFF),既然是SRAM,自然也就没有程序存储的能力了,这个模式一般用于程序调试。SRAM 只能通过0x20000000进行操作,与上述两者不同。从SRAM 启动时,需要在应用程序初始化代码中重新设置向量表的位置。

用户可以通过设置BOOT0和BOOT1的引脚电平状态,来选择复位后的启动模式。如下图所示:

OYAYPs.png

启动模式只决定程序烧录的位置,加载完程序之后会有一个重映射(映射到0x00000000地址位置);真正产生复位信号的时候,CPU还是从开始位置执行。

值得注意的是GD32上电复位以后,代码区都是从0x00000000开始的,三种启动模式只是将各自存储空间的地址映射到0x00000000中。

4.2 GD32的启动文件分析

因为启动过程主要是由汇编完成的,因此GD32的启动的大部分内容都是在启动文件里。笔者的启动文件是startup_gd32f20x_cl.s。

4.2.1堆栈定义

1. Stack栈
栈的作用是用于局部变量,函数调用,函数形参等的开销,栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。当程序较大时,需要修改栈的大小,不然可能会出现的HardFault的错误。

OYAdMV.md.png

第43行:表示开辟栈的大小为 0X00000400(1KB),EQU是伪指令,相当于C 中的 define。
第45行:开辟一段可读可写数据空间,ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。段名为STACK,可以任意命名;NOINIT 表示不初始化;READWRITE 表示可读可写,ALIGN=3,表示按照 8 字节对齐。
第46行:SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间,单位为字节。
第47行: __ initial_sp表示栈顶地址。栈是由高向低生长的。

2.Heap堆
堆主要用来动态内存的分配,像 malloc()函数申请的内存就在堆中。

OYADZF.md.png

开辟堆的大小为 0X00000200(512 字节),名字为 HEAP,NOINIT 即不初始化,可读可写,8字节对齐。__ heap_base 表示对的起始地址,__ heap_limit 表示堆的结束地址。

4.2.2向量表

向量表是一个WORD( 32 位整数)数组,每个下标对应一种异常,该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的,通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后,该寄存器的值为 0。因此,在地址 0 (即 FLASH 地址 0)处必须包含一张向量表,用于初始时的异常分配。

值得注意的是这里有个另类:0号类型并不是什么入口地址,而是给出了复位后 MSP 的初值,后面会具体讲解。

OYA6i9.md.png
……

OYAcGR.md.png

第66行:定义一块代码段,段名字是RESET,READONLY 表示只读。
第67-69行:使用EXPORT将3个标识符申明为可被外部引用,声明 Vectors、 Vectors_End 和 Vectors_Size 具有全局属性。这几个变量在Keil分散加载时会用到。
第71行: Vectors 表示向量表起始地址,DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码,中断向量表 存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常(也即是中断事件)发生时,CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器,之后就开始执行中断服务程序。在60行之后,依次定义了中断服务程序的入口地址。
第179行:
Vectors_End 为向量表结束地址。
第181行:
Vectors_Size则是向量表的大小,向量表的大小是通过Vectors 和Vectors_End 相减得到的。

上述向量表可以在《GD32F20x_User_Manual》中找到的,笔者这里只截取了部分。

OYA5ZD.md.png

笔者只截取了部分。

4.2.3复位程序

复位程序是系统上电后执行的第一个程序,复位程序也是中断程序,只是这个程序比较特殊,因此单独提出来讲解。

OYAIde.md.png

第186行:定义了一个服务程序,PROC表示程序的开始。
第187行:使用EXPORT将Reset_Handler申明为可被外部引用,后面WEAK表示弱定义,如果外部文件定义了该标号则首先引用该标号,如果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位程序可以由用户在其他文件重新实现。
第188-189行:表示该标号来自外部文件,SystemInit()是一个库函数,在system_gd32f10x.c中定义的, main 是一个标准的 C 库函数,主要作用是初始化用户堆栈,这个是由编译器完成的,该函数最终会调用我们自己写的main函数,从而进入C世界中。
第190行:这是一条汇编指令,表示从存储器中加载SystemInit到一个寄存器R0的地址中。R0~R3 寄存器通常用于函数入参出参或子程序调用。
第191行:汇编指令,表示跳转到寄存器R0的地址,并根据寄存器的 LSE 确定处理器的状态,还要把跳转前的下条指令地址保存到 LR。
第192行:和190行是一个意思,表示从存储器中加载
main到一个寄存器R0的地址中。
第193行:和191稍微不同,这里跳转到至指定寄存器的地址后,不会返回。
第194行:和PROC是对应的,表示程序的结束。
值得注意的是,这里的 main和C语言中的main()不是一样东西, main是C lib中的函数,也就是在Keil中自带的;而main()函数是C的入口,main()会被__ main调用。

4.2.4中断服务程序

我们平时要使用哪个中断,就需要编写相应的中断服务程序,只是启动文件把这些函数留出来了,但是内容都是空的,真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现,这里只是提前占了一个位置罢了。

OYAHJA.md.png

这部分没啥好说的,和服务程序类似的,只需要注意‘B .’语句,B表示跳转,这里跳转到一个‘.’,即表示无线循环。

4.2.5堆栈初始化

堆栈初始化是由一个IF条件来实现的,MICROLIB的定义与否决定了堆栈的初始化方式。

这个定义是在Options->Target中设置的。

OYAOQP.md.png

如果没有定义MICROLIB , 则会使用双段存储器模式,且声明了user_initial_stackheap 具有全局属性,这需要开发者自己来初始化堆栈。

OYAxeS.md.png

这部分也没啥讲的,需要注意的是,ALIGN表示对指令或者数据存放的地址进行对齐,缺省表示4字节对齐。

4.2.6其他

OYE9ij.md.png

第62行:PRESERVE8 用于指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。
第63行:THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令。现在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集,THUMB-2 是 32 位的,兼容 16 位和 32 位的指令,是 THUMB 的超集。

4.3 GD32的启动流程实例分析

有了前面的分析,接下来就来具体看看GD32启动流程的具体内容。

4.3.1初始化SP、PC、向量表

当系统复位后,处理器首先读取向量表中的前两个字(8 个字节),第一个字存入 MSP,第二个字为复位向量,也就是程序执行的起始地址。

OYECJs.md.jpg

这里通过J-Flash打开hex文件。

OYEPWn.md.png

硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP,然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC,完成了复位操作,SP= 0x0200 2008,PC = 0x0800 01BD。

初始化SP、PC紧接着就初始化向量表,如果感觉看HEX文件抽象,我们看看反汇编文件吧。

OYEizq.md.png

是不是更容易些,是不是和《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》中的向量表对应起来了。其实看反汇编文件更好理解GD32的启动流程,只是有些抽象。

生成反汇编的方法如下。

在KEIL的User选项中,如下图添加这两项:

fromelf  --bin  --output=GD32F207I.bin  ../Output/GD32F207I.axf
fromelf  --text  -a -c  --output=GD32F207I.dis  ../Output/GD32F207I.axf

然后重新编译,即可得到二进制文件GD32F207I.bin(以后会分析)、反汇编文件GD32F207I.dis。
如下图所示:

OYEELT.md.png

4.3.2设置系统时钟

细心的朋友可能发现,PC=0x080001BC的地址是没有对齐的。然后在反汇编文件中却是这样的:

OYEmo4.md.png

这里是硬件自动对齐到 0x080001BC,并执行SystemInit函数初始化系统时钟。

当然也可通过硬件调试来确认上面的分析:

OYEMWR.md.png

接下来就会进入SystemInit函数中。

OYE1Qx.md.png

SystemInit函数内容如下:

/*!
    \brief      setup the micro-controller system, initialize the system
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void SystemInit(void)
{
    /* reset the RCC clock configuration to the default reset state */
    /* enable IRC8M */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_IRC8MEN;

    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* reset SCS, AHBPSC, APB1PSC, APB2PSC, ADCPSC, CKOUT0SEL bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_SCS | RCU_CFG0_AHBPSC | RCU_CFG0_APB1PSC | RCU_CFG0_APB2PSC |
                  RCU_CFG0_ADCPSC | RCU_CFG0_ADCPSC_2 | RCU_CFG0_CKOUT0SEL);

    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* Reset HXTALBPS bit */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALBPS);

    /* reset PLLSEL, PREDV0_LSB, PLLMF, USBFSPSC bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLMF |
                  RCU_CFG0_USBFSPSC | RCU_CFG0_PLLMF_4);

    /* reset PLL1EN and PLL2EN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_PLL1EN | RCU_CTL_PLL2EN);

    /* reset CFG1 register */
    RCU_CFG1 = 0x00000000U;

    /* reset INT register */
    RCU_INT = 0x00FF0000U;

    /* reset CFG2 register */
    RCU_CFG2 = 0x00000000U;

    /* reset PLLTCTL register */
    RCU_PLLTCTL &= (~RCU_PLLTCTL_PLLTEN);

    /* reset PLLTINT register */
    RCU_PLLTINT = 0x00400000U;

    /* reset PLLTCFG register */
    RCU_PLLTCFG = 0x20003010U;

    /* configure the system clock source, PLL multiplier, AHB/APBx prescalers and flash settings */
    system_clock_config();
}

前面部分是配置时钟的,具体参考手册吧。

system_clock_config()函数用于时钟初始化,这里使用的是HXTAL,HXTAL进过通过PLL锁相环后为120MHz。

system_clock_config()函数调用的system_clock_120m_hxtal()函数,其如下:
/*!
    \brief      configure the system clock to 120M by PLL which selects HXTAL(8M) as its clock source
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
static void system_clock_120m_hxtal(void)
{
    uint32_t timeout = 0U;
    uint32_t stab_flag = 0U;

    /* enable HXTAL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_HXTALEN;

    /* wait until HXTAL is stable or the startup time is longer than HXTAL_STARTUP_TIMEOUT */
    do {
        timeout++;
        stab_flag = (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB);
    } while((0U == stab_flag) && (HXTAL_STARTUP_TIMEOUT != timeout));

    /* if fail */
    if(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB)) {
        while(1) {
        }
    }

    /* HXTAL is stable */
    /* AHB = SYSCLK */
    RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
    /* APB2 = AHB/1 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;
    /* APB1 = AHB/2 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;

    /* CK_PLL = (CK_PREDIV0) * 10 = 120 MHz */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4 | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLSEL);
    RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_PLL_MUL10);

    /* CK_PREDIV0 = (CK_HXTAL) / 5 * 12 /5 = 12 MHz */
    RCU_CFG1 &= ~(RCU_CFG1_PREDV0SEL | RCU_CFG1_PLL1MF | RCU_CFG1_PREDV1 | RCU_CFG1_PREDV0);
    RCU_CFG1 |= (RCU_PREDV0SRC_CKPLL1 | RCU_PLL1_MUL12 | RCU_PREDV1_DIV5 | RCU_PREDV0_DIV5);

    /* enable PLL1 */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLL1EN;
    /* wait till PLL1 is ready */
    while((RCU_CTL & RCU_CTL_PLL1STB) == 0U) {
    }

    /* enable PLL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLLEN;

    /* wait until PLL is stable */
    while(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_PLLSTB)) {
    }

    /* select PLL as system clock */
    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    RCU_CFG0 |= RCU_CKSYSSRC_PLL;

    /* wait until PLL is selected as system clock */
    while(0U == (RCU_CFG0 & RCU_SCSS_PLL)) {
    }
}

4.3.3初始化堆栈并进入main

执行指令LDR R0, =main,然后就跳转到main程序段运行,当然这里指标准库的__main函数。

ONrYfU.md.png

这中间初始化了栈区。

ONr0mR.md.png

这段代码是个循环(BCC 0x080001e6),实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候,读取“加载数据段的函数”的地址并跳转到该函数处运行(注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数);第二次运行的时候,读取“初始化栈的函数”的地址并跳转到该函数处运行。

最后就进入C文件的main函数中,至此,启动过程到此结束。

最后,总结下GD32 从flash的启动流程。

MCU上电后从0x0800 0000处读取栈顶地址并保存,然后从0x0800 0004读取中断向量表的起始地址,这就是复位程序的入口地址,接着跳转到复位程序入口处,初始向量表,然后设置时钟,设置堆栈,最后跳转到C空间的main函数,即进入用户程序。

ONrB01.md.png


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