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嵌入式系统启动代码和外设代码的汇编过程

🕗 发布于 2024-07-13 13:41 汇编  嵌入式  arm开发  

文章目录

1. start.S

2. 芯片的启动流程

STM32 的启动流程

BootLoader 的作用

代码运行流程

3. 外设代码的启动流程

机器码存储和解释

外设初始化

main主函数

1. start.S

start.S 通常是指用于嵌入式系统启动代码的汇编文件。这个文件负责在嵌入式系统上电或重置时的初始设置和引导过程。

这段代码是一个ARM汇编程序，用于设置栈指针、清理BSS段并调用主函数。

这段汇编代码的执行过程为：

  • 设置栈指针：

    • 确保程序在开始执行时有一个正确的栈空间，栈用于函数调用和本地变量的存储。

  • 清除 BSS 段：

    • 初始化 BSS 段，将所有未初始化的全局和静态变量设置为零。这是为了确保这些变量在程序开始时处于已知状态。

  • 调用主程序：

    • 调用 main 函数，这是程序的主入口点，开始执行实际的应用逻辑。

  • 处理程序结束后的行为：

    • 在主程序 main 函数返回后，程序进入一个无限循环 halt，以防止程序继续执行无效代码或返回到不安全的地址。
.text
.global  _start
_start: 

//设置栈
ldr  sp,=0x80200000

bl clean_bss

bl main

halt:
b  halt 

clean_bss:
/* 清除BSS段 */
ldr r1, =__bss_start
ldr r2, =__bss_end
mov r3, #0
clean:
str r3, [r1]
add r1, r1, #4
cmp r1, r2
bne clean

mov pc, lr

1. .text

  • 表示下面的代码将放在代码段中，这是汇编程序的一个标准部分，意味着这些代码是可执行的。

2. .global _start

  • 声明 _start 是一个全局符号，使得链接器在链接其他模块时可以识别这个符号。它通常表示程序的入口点。

3. _start:

  • 这是一个标签，标记程序开始执行的地方。程序启动时会从这个位置开始执行。

4. ldr sp, =0x80200000

  • 这行代码将值 0x80200000 加载到栈指针（sp）寄存器中。设置栈顶位置是程序初始化的一部分，确保在函数调用过程中有足够的空间用于保存返回地址和局部变量。
  • 设置栈指针的原因：在调用 C 函数时，需要使用栈来保存现场（如寄存器值），以及传递参数。栈是函数调用和返回过程中重要的数据结构。

5. bl clean_bss

  • bl 是 "Branch with Link" 的缩写，表示跳转到标签 clean_bss 所在的位置，并保存返回地址到链接寄存器（lr）中。
  • 这行代码实际上是调用 clean_bss 函数。这个函数的作用是清除 BSS 段（未初始化的全局变量区域）。

6. bl main

  • 这行代码调用 C 语言的 main 函数。同样地，bl 指令会跳转到 main 函数的代码，并保存返回地址到 lr 寄存器中。
  • 在嵌入式程序中，main 通常是主程序的入口函数，负责执行程序的主要逻辑。

7. halt:

  • 这是一个标签，标记一个无限循环的起点。这个循环用于在程序执行完 main 函数后停止程序的运行，等待外部指令。

8. b halt

  • b 是 "Branch" 的缩写，表示无条件跳转到 halt 标签的位置。
  • 这行代码使程序进入一个无限循环，防止程序在 main 函数返回后继续执行无意义的代码，通常用于嵌入式系统中，等待复位或中断。

9. clean_bss:

  • 这是一个标签，标记 clean_bss 函数的开始位置。函数的入口。

10. ldr r1, =__bss_start

  • 将符号 __bss_start 的地址加载到寄存器 r1 中。
  • __bss_start 是编译器生成的符号，表示 BSS 段的起始地址。
  • BSS 段用于存储未初始化的全局和静态变量。

11. ldr r2, =__bss_end

  • 将符号 __bss_end 的地址加载到寄存器 r2 中。
  • __bss_end 是编译器生成的符号，表示 BSS 段的结束地址。

12. mov r3, #0

  • 将立即数 0 加载到寄存器 r3 中。
  • 这个寄存器用于在 BSS 段中写入 0，以初始化未初始化的全局和静态变量。

13. clean:

  • 这是一个标签，标记一个循环的开始位置。

14. str r3, [r1]

  • 将寄存器 r3 的值（即 0）存储到寄存器 r1 所指向的内存地址中。
  • 初始化当前 BSS 段位置的值为 0。

15. add r1, r1, #4

  • 将寄存器 r1 的值增加 4，指向下一个需要初始化的位置。
  • 因为每个存储单元是 4 个字节，所以增加 4。

16. cmp r1, r2

  • 比较寄存器 r1 和 r2 的值。
  • 检查当前 BSS 段的位置是否到达了 BSS 段的结束地址。

17. bne clean

  • 如果比较结果不相等（即 r1 未达到 r2），跳转回 clean 标签，继续初始化下一个存储单元。

18. mov pc, lr

  • 将链接寄存器 lr 的值移动到程序计数器 pc，即函数返回。
  • 在调用 clean_bss 函数之前，调用者的返回地址已经存储在 lr 中，这样函数执行完毕后可以返回调用者继续执行。

2. 芯片的启动流程

STM32 的启动流程

STM32 启动过程包括以下几个关键步骤：

  1. 系统上电复位：STM32 芯片上电后，首先执行芯片内部的引导程序（BootLoader）。
  2. BootLoader：BootLoader 根据芯片配置，将程序从 Flash 或其他存储介质加载到 RAM 中。
  3. 系统初始化：STM32 的启动代码（通常是汇编代码）会初始化栈指针、清除 BSS 段，并进行其他必要的系统初始化。
  4. 进入主程序：初始化完成后，跳转到 main 函数，开始执行应用程序代码。

BootLoader 的作用

STM32 的 BootLoader 主要用于在芯片上电复位后，执行初始化和加载应用程序的功能。

  1. 加载程序：将 Flash 中的应用程序代码加载到 RAM 中（如果需要）。
  2. 初始化系统：根据系统配置初始化时钟、外设和其他系统资源。
  3. 跳转到应用程序：跳转到应用程序的入口点（通常是 main 函数）。

代码运行流程

  1. 上电复位后：STM32 芯片上电复位后，首先执行内部 BootLoader 程序。
  2. 加载应用程序：BootLoader 将 Flash 中的应用程序代码加载到 RAM 中。
  3. 系统初始化：
    • 初始化栈指针：将栈指针（SP）初始化为适当的地址（例如，RAM 顶部地址）。
    • 清除 BSS 段：通过调用 clean_bss 函数，将 BSS 段中的数据清零。
    • 初始化系统资源：根据具体的应用需求初始化时钟、外设等资源。
  4. 进入主程序：初始化完成后，跳转到 main 函数，开始执行应用程序代码。

3. 外设代码的启动流程

比如点灯程序led的代码

在启动过程中，BootLoader 会将程序代码（如 led.bin）从存储介质加载到内存中，CPU 从内存地址 0x08000000 开始执行机器码。在 STM32 中，Flash 通常映射到起始地址 0x08000000。每条机器码是 32 位/4 字节，此处的机器码就是 led.bin 中的机器码。

例如，在 STM32 中，程序被加载到内存中后，CPU 开始从地址 0x08000000 开始执行机器码。假设 led.bin 被加载到此地址，下面是其机器码的分析：

.global _start
_start:
    ldr sp, =0x20000000     // 初始化栈指针
    bl  clean_bss
    bl  main

halt:
    b   halt

clean_bss:
    ldr r1, =__bss_start
    ldr r2, =__bss_end
    mov r3, #0
clean:
    str r3, [r1]
    add r1, r1, #4
    cmp r1, r2
    bne clean
    mov pc, lr

机器码存储和解释

对于指令 ldr sp, =0x20000000，假设其机器码为 e59fd000，存储在小端模式下如下：

  • 地址 0x08000000 存储： 00
  • 地址 0x08000001 存储： d0
  • 地址 0x08000002 存储： 9f
  • 地址 0x08000003 存储： e5

小端模式（Little Endian）是指数据的最低有效字节（LSB）存储在内存的最低地址处，而最高有效字节（MSB）存储在最高地址处。这个存储方式广泛用于 ARM 架构的处理器，包括 STM32 。

在 STM32 中，默认也是使用小端模式。因此，同样的指令在 STM32 中的存储方式也会是相同的，即以小端模式存储。

外设初始化

但是bin文件的机器码不方便阅读，所以一般会通过arm-linux-gnueabihf-objdump进行反汇编，得到容易读的led.dis文件。

机器码：

内存地址    机器码         指令
80100000:   <_start>:
80100000:   e59fd028     ldr sp, [pc, #40]  ; 80100030 <clean+0x14>
80100004:   eb000001     bl  80100010 <clean_bss>
80100008:   fa000057     blx 8010016c <main>

8010000c <halt>:
8010000c:   eafffffe     b   8010000c <halt>

80100010 <clean_bss>:
80100010:   e59f101c     ldr r1, [pc, #28]  ; 80100034 <clean+0x18>
80100014:   e59f201c     ldr r2, [pc, #28]  ; 80100038 <clean+0x1c>
80100018:   e3a03000     mov r3, #0

8010001c <clean>:
8010001c:   e5813000     str r3, [r1]
80100020:   e2811004     add r1, r1, #4
80100024:   e1510002     cmp r1, r2
80100028:   1afffffb     bne 8010001c <clean>
8010002c:   e1a0f00e     mov pc, lr

80100030:   eorhi r0, r0, r0
80100034:   mulshi r0, ip, r1
80100038:   andshi r0, r0, ip, lsr #3

8010003c <led_init>:
8010003c:   b480         push {r7}

汇编代码：

.text
.global _start
_start:
    // 设置栈
    ldr sp,=0x80200000
    bl clean_bss
    bl main

halt:
    b halt 

clean_bss:
    // 清除BSS段
    ldr r1, =__bss_start
    ldr r2, =__bss_end
    mov r3, #0

clean:
    str r3, [r1]
    add r1, r1, #4
    cmp r1, r2
    bne clean
    
    mov pc, lr
  • 第一条指令设置栈指针。
  • 第二条指令跳转到 clean_bss 函数。
  • clean_bss 函数清除 BSS 段，将段内存设置为 0。
  • 最后返回到 main 函数。

main主函数

反汇编代码：

8010016c <main>:
8010016c: b580       push {r7, lr}
8010016e: af00       add r7, sp, #0
80100170: f7ff ff64  bl 8010003c <led_init>
80100174: 2001       movs r0, #1
80100176: f7ff ffbf  bl 801000f8 <led_ctl>
8010017a: f244 2040  movw r0, #16960 ; 0x4240
8010017e: f2c0 000f  movt r0, #15
80100182: f7ff ffe3  bl 8010014c <delay>
80100186: 2000       movs r0, #0
80100188: f7ff ffb6  bl 801000f8 <led_ctl>
8010018c: f244 2040  movw r0, #16960 ; 0x4240
80100190: f2c0 000f  movt r0, #15
80100194: f7ff ffda  bl 8010014c <delay>
80100198: e7ec       b.n 80100174 <main+0x8>

C代码：

int main()
{
    led_init();
    while(1)
    {
        led_ctl(1);
        delay(1000000);
        led_ctl(0);
        delay(1000000);
    }
    return 0;
}

汇编指令解释：

  1. push {r7, lr}: 保存现场，将r7和lr寄存器的值压入栈中。
  2. bl 8010003c <led_init>: 跳转到led_init函数，进行初始化操作。
  3. movs r0, #1: 将立即数1加载到寄存器r0中。
  4. bl 801000f8 <led_ctl>: 跳转到led_ctl函数，传递参数r0（1）。
  5. movw r0, #16960 ; 0x4240 和 movt r0, #15: 将立即数0xF4240加载到寄存器r0中，作为delay函数的参数。
  6. bl 8010014c <delay>: 跳转到delay函数，传递参数r0（0xF4240）。
  7. movs r0, #0: 将立即数0加载到寄存器r0中。
  8. bl 801000f8 <led_ctl>: 跳转到led_ctl函数，传递参数r0（0）。
  9. movw r0, #16960 ; 0x4240 和 movt r0, #15: 将立即数0xF4240加载到寄存器r0中，作为delay函数的参数。
  10. bl 8010014c <delay>: 跳转到delay函数，传递参数r0（0xF4240）。
  11. b.n 80100174 <main+0x8>: 跳转回主循环的开始，形成无限循环。

整体流程：

  • 进入main()函数，保存现场信息。
  • 调用led_init()函数进行初始化。
  • 进入无限循环while(1)：
    • 调用led_ctl(1)函数，点亮LED。
    • 调用delay(1000000)函数，延时。
    • 调用led_ctl(0)函数，关闭LED。
    • 调用delay(1000000)函数，延时。
  • 通过b.n指令跳转回循环体开头，重复上述过程。


原文地址：https://blog.csdn.net/TENET123/article/details/140256269

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