說明

要了解 libopencm3 的代碼結構, 需要先了解它編譯和連接產生韌體的機制和啟動檔案, 這部分和 CMSIS 不一樣

ld, Linker script, 連接器腳本檔案

在 2020-11-29 的改動 drop all part specific ld files之前, 在 lib/stm32/f0 - f7 目錄下, 可以看到各個型號的ld檔案, 在這個提交中洗掉了所有具體型號的ld檔案, 改為編譯中使用腳本生成. 在用戶的代碼目錄下可以看到生成的ld檔案. 以下說明ld檔案的功能和內容.

連接器的作業機制

MCU執行程式的程序中, 執行指令的順序只有兩種: 順序執行和跳轉.

在生成匯編代碼時會把各個函式和變數分塊, 并在前面寫上對應的標號, 例如 START, 最后由編譯器將START程式處的地址裝入寫有 START標號跳轉指令的地方. 這就是一個連接的程序.

對應C代碼被編譯為二進制執行檔案的程序:

C語言轉換為匯編代碼 file.c -> file.asm
匯編編譯產生 .o 檔案 file.o 帶有未決議地址的中間檔案
連接器將.o 檔案排列填入到對應的存盤地址中, 并記錄其函式和變數對應的地址, 使得其他函式能夠跳轉到該函式的入口地址.

最終的排列順序和地址, 可以通過.map檔案查看.

ld 檔案的功能和結構

以ld為擴展名的檔案是針對具體MCU的連接器腳本(Linker script), 是連接器使用的規則檔案, 最關鍵的一點是指定了 flash 和 RAM 的起始位置和大小.

連接器腳本用于在link階段, 告訴linker(連接器)關于生成韌體時的存盤布局, 指示連接器將不同的機器碼保存到韌體的對應位置. 在連接階段通過 -Tscriptname.ld引數傳遞給連接器.

連接器腳本會包含以下的內容

Memory layout 記憶體布局
Entry point definition 程式入口定義
Section definitions 各存盤區的定義(定義Flash、RAM中代碼和資料的存放位置)

ld 檔案的示例代碼說明

以下以 libopencm3 的 STM32F103x8 ld 檔案為例

/* Linker script for STM32F103x8, 64k flash, 20k RAM. */

/* Define memory regions. 定義片上存盤在地址空間的起始位置和大小 */
MEMORY
{
  rom (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K
  ram (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
}

/* Enforce emmition of the vector table. 宣告中斷向量表 */
EXTERN (vector_table)

/* Define the entry point of the output file. 定義程式入口, 程式將從 reset_handler 開始執行 */
ENTRY(reset_handler)

/* Define sections. */
SECTIONS
{
  /** .text對應程式的可執行代碼 */
  .text : {
    *(.vectors)     /* Vector table 中斷向量表 */
    *(.text*)       /* Program code 程式代碼 */
    . = ALIGN(4);   /* 4位元組對齊 */
    *(.rodata*)     /* 只讀資料, 程式中使用的常量資料 */
    . = ALIGN(4);   /* 4位元組對齊, 對應一個32bit字 */
  } >rom

  /* C++ Static constructors/destructors, also used for __attribute__
   * ((constructor)) and the likes
   * .preinit_array, .init_array, .fini_array 指向建構式和解構函式的指標陣列
   */
  .preinit_array : {
    . = ALIGN(4);
    __preinit_array_start = .;

    /* KEEP() 這個函式用在SECTIONS內部, 用于連接階段的垃圾回收(--gc-sections引數開啟), 在創建依賴樹時定義這部分為root節點, 
     * 標記為在使用, 這樣連接器就會保留這部分記憶體, 哪怕里面沒有變數被參考. 
     * 
     * The KEEP statement within a linker script will instruct the linker to keep the specified section, 
     * even if no symbols inside it are referenced. This statement is used within the SECTIONS section of the 
     * linker script. This becomes relevant when garbage collection is performed at link time, enabled by 
     * passing the --gc-sections switch to the linker. The KEEP statement instructs the linker to use the 
     * specified section as a root node when creating a dependency graph, looking for unused sections. 
     * Essentially forcing the section to be marked as used.
     * This statement is commonly seen in linker scripts targeting the ARM architecture for placing the 
     * interrupt vector table at offset 0x00000000. Without this directive the table, which might not be 
     * referenced explicitly in code, would be pruned out.
     */
    KEEP (*(.preinit_array))  
    __preinit_array_end = .;
  } >rom
  .init_array : {
    . = ALIGN(4);
    __init_array_start = .;
    KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
    KEEP (*(.init_array))
    __init_array_end = .;
  } >rom
  .fini_array : {
    . = ALIGN(4);
    __fini_array_start = .;
    KEEP (*(.fini_array))
    KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
    __fini_array_end = .;
  } >rom

  /*
   * Another section used by C++ stuff, appears when using newlib with
   * 64bit (long long) printf support
   *
   * C++使用的部分, 當使用帶64位printf支持的newlib時需要
   */
  .ARM.extab : {
    *(.ARM.extab*)
  } >rom
  .ARM.exidx : {
    __exidx_start = .;
    *(.ARM.exidx*)
    __exidx_end = .;
  } >rom

  . = ALIGN(4);
  _etext = .;

  /**
   * .data對應已初始化的全域變數, 編譯后位于可執行檔案中, 由啟動代碼加載到資料區中
   * 在單片機中這部分資料會存于flash中, 由啟動代碼把這部分內容拷貝到RAM
   */
  .data : {
    _data = https://www.cnblogs.com/milton/p/.;
    *(.data*) /* Read-write initialized data */
    . = ALIGN(4);
    _edata = .;
  } >ram AT >rom
  _data_loadaddr = LOADADDR(.data);

  /* .bss段是沒有初始值的全域變數, 由啟動代碼把這部分內容全初始化為0 */
  .bss : {
    *(.bss*)  /* Read-write zero initialized data */
    *(COMMON)
    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;
  } >ram

  /*
   * The .eh_frame section appears to be used for C++ exception handling.
   * You may need to fix this if you're using C++.
   */
  /DISCARD/ : { *(.eh_frame) }

  . = ALIGN(4);
  end = .;
}

PROVIDE(_stack = ORIGIN(ram) + LENGTH(ram));

ld 相關參考資料

GCC linker script and STM32(a tutorial)
Linker Scripts
Understanding the linkerscript for an ARM Cortex-M microcontroller
Understand the GNU linker script of cortex M4
Understand the GNU assembler startup file of cortex M4

啟動檔案

關于stm32的啟動檔案

啟動檔案就是 MCU 在執行 main 函式前將系統初始化并把 PC(程式計數器, 當前執行代碼位置的指標)設定到 main 函式的檔案.

Cortex-M3 內核中, 程式的執行會從 flash 首地址的第一位開始, 先取出 MSP (堆疊頂地址指標暫存器)的數值, 然后取出復位中斷函式的地址并跳轉過去.

libopencm3 和 CMSIS 不一樣, 沒有使用匯編代碼的startup檔案, 而是用 vector.c 生成startup檔案, 這個檔案位于 lib/cm3/ 目錄下.

啟動檔案 vector.c

以下是對啟動檔案 vector.c 代碼的說明

#include <libopencm3/cm3/scb.h>
// 在頭檔案中宣告中斷項串列的型別 vector_table_t
#include <libopencm3/cm3/vector.h>

// 根據不同的芯片, 引入 pre_main() 方法, STM32F1 沒有對應的方法
/* load optional platform dependent initialization routines */
#include "../dispatch/vector_chipset.c"

// 弱定義, 會被實際值覆寫
/* load the weak symbols for IRQ_HANDLERS */
#include "../dispatch/vector_nvic.c"

/* Less common symbols exported by the linker script(s): */
typedef void (*funcp_t) (void);
extern funcp_t __preinit_array_start, __preinit_array_end;
extern funcp_t __init_array_start, __init_array_end;
extern funcp_t __fini_array_start, __fini_array_end;

// 主函式宣告
int main(void);
// while回圈函式, 空阻塞函式
void blocking_handler(void);
// 空函式
void null_handler(void);

// 定義中斷向量表, 定義各個中斷對應的處理函式
__attribute__ ((section(".vectors")))
vector_table_t vector_table = {
	.initial_sp_value = https://www.cnblogs.com/milton/p/&_stack,
	.reset = reset_handler,
	.nmi = nmi_handler,                 // Non maskable interrupt 不可屏蔽中斷
	.hard_fault = hard_fault_handler,   // All classes of fault.

/* Those are defined only on CM3 or CM4 */
#if defined(__ARM_ARCH_7M__) || defined(__ARM_ARCH_7EM__)
	.memory_manage_fault = mem_manage_handler,  // Memory management.
	.bus_fault = bus_fault_handler,             // Pre-fetch fault, memory access fault.
	.usage_fault = usage_fault_handler,         // Undefined instruction or illegal state.
	.debug_monitor = debug_monitor_handler,
#endif

	.sv_call = sv_call_handler,       // System service call via SWI instruction, (Software Interrupt, SWI)軟體中斷指令用于產生軟中斷, 實作從用戶模式變換到管理模式
	.pend_sv = pend_sv_handler,       // Pendable request for system service. 可掛起的中斷
	.systick = sys_tick_handler,      // System tick timer
	.irq = {
		IRQ_HANDLERS  // 中斷向量的定義在芯片的irq.json中, 定義在 irq2nvic_h 腳本生成lib目錄下對應型號下的 vector_nvic.c
	}
};

// reset_handler 是連接器腳本中定義的程式執行入口, 下面的代碼是具體的實作
void __attribute__ ((weak)) reset_handler(void)
{
	volatile unsigned *src, *dest;
	funcp_t *fp;

	for (src = &_data_loadaddr, dest = &_data;
		dest < &_edata;
		src++, dest++) {
		*dest = *src;
	}

	while (dest < &_ebss) {
		*dest++ = 0;
	}

	/* Ensure 8-byte alignment of stack pointer on interrupts */
	/* Enabled by default on most Cortex-M parts, but not M3 r1 */
	SCB_CCR |= SCB_CCR_STKALIGN;

	/* might be provided by platform specific vector.c */
	pre_main();

	/* Constructors. */
	for (fp = &__preinit_array_start; fp < &__preinit_array_end; fp++) {
		(*fp)();
	}
	for (fp = &__init_array_start; fp < &__init_array_end; fp++) {
		(*fp)();
	}

	/* Call the application's entry point. */
	(void)main();

	/* Destructors. */
	for (fp = &__fini_array_start; fp < &__fini_array_end; fp++) {
		(*fp)();
	}

}

void blocking_handler(void)
{
	while (1);
}

void null_handler(void)
{
	/* Do nothing. */
}

#pragma weak nmi_handler = null_handler
#pragma weak hard_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak sv_call_handler = null_handler
#pragma weak pend_sv_handler = null_handler
#pragma weak sys_tick_handler = null_handler

/* Those are defined only on CM3 or CM4 */
#if defined(__ARM_ARCH_7M__) || defined(__ARM_ARCH_7EM__)
#pragma weak mem_manage_handler = blocking_handler
#pragma weak bus_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak usage_fault_handler = blocking_handler
#pragma weak debug_monitor_handler = null_handler
#endif

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