【學(xué)習筆記】IAR中cortex-m4啟動流程分析

houxn22

  軟件環(huán)境：windows7旗艦版,IAR V6105(EWARM-EV-WEB-6105)

ARM芯片：飛思卡爾K60N512VMD100 （cortex-m4核心）

示例程序：飛思卡爾官方的 KINETIS512_SC

======================

最近分析了一下飛思卡爾官方提供的k60系列demo程序在IAR上的啟動流程，現(xiàn)寫一下筆記，以備以后參考。先看一下K60N512VMD100內(nèi)部存儲器的分布情況，飛思卡爾K60N512VMD100有512K的flash和128k的SRAM.其中：

Flash地址空間： 0x00000000--0x00080000,共512k

SRAM地址空間： SRAM1 0x1FFF0000--0x20000000 64k

SRAM2 0x20000000--0x20010000 64k

總共的SRAM大小是128k

我要在RAM中調(diào)試代碼，下面以代碼的執(zhí)行過程為順序分析一下啟動流程。

首先看一下源文件中提供的128KB_Ram.icf文件。*.icf文件是IAR中的分散描述文件，相當于ADS中的*.src文件或keil中的*.sct文件或GNU中的*.lds鏈接腳本文件。

這個文件中前面部分是各個變量的定義，關(guān)鍵看后面部分：

1. /*128KB_Ram.icf后面部分*/
2. ***********
3. place at address mem:__ICFEDIT_intvec_start__ { readonly section .intvec };
4. place at address mem:__code_start__ { readonly section .noinit };
5. 
   
6. place in RAM_region { readonly, block CodeRelocate };
7. 
   
8. place in RAM_region { readwrite, block CodeRelocateRam,
9. block CSTACK, block HEAP };
10. ************

①place at address mem:__ICFEDIT_intvec_start__ { readonly section .intvec }

  這段代碼表示要把.intvec代碼段中的只讀部分放在存儲空間（mem，前面已定義的名稱）中__ICFEDIT_intvec_start__ 地址上，前面部分已經(jīng)定義__ICFEDIT_intvec_start__=0x1fff0000，是SRAM的起始地址。也就是先把向量表放到內(nèi)存中的最前面。 .intvec 這個段是在vectors.c文件中出現(xiàn)的，

1. /*vectors.c片段*/
2. 
   
3. typedef void (*vector_entry)(void);
   
4. 
   
5.     #pragma location = ".intvec"
6.     const vector_entry __vector_table[] = //@ ".intvec" =
   
7. 
   
8. {
   
9.    VECTOR_000, /* Initial SP */
   
10.    VECTOR_001, /* Initial PC */
    
11.    VECTOR_002,
    
12.    VECTOR_003,
13.    ......(中間省略)
14.    VECTOR_254,
    
15.    VECTOR_255,
    
16.    CONFIG_1,
    
17.    CONFIG_2,
    
18.    CONFIG_3,
    
19.    CONFIG_4,
    
20. 
    
21. };

從源文件中可以看到這里定義了一個向量表__vector_table（前面的const 很重要不能省，這樣才能保證向量表是只讀的），向量表中的每一項都是一個指向函數(shù)的指針，這里總共有256+4=260個指針，所以占據(jù)空間為260*4=1040=0x410.

所以SRAM空間的前0x410的空間已經(jīng)被向量表占據(jù)。即占據(jù)了0x1fff0000--0x1fff0410.

②place at address mem:__code_start__ { readonly section .noinit }

這段代碼表示要把 .noinit段中的只讀部分放到地址空間 __code_start__ 開始的地址上，前面有定義 __code_start__= 0x1fff0410 ，也就是把 .noinit段放到0x1fff0410開始的地址上。所以在內(nèi)存中代碼就連續(xù)了，先是向量表，接著的是.noinitd 段。

.noinit 段在crt0.s匯編文件中出現(xiàn)：

1. SECTION .noinit : CODE
2. EXPORT __startup
3. __startup
4. 
   
5. MOV r0,#0 ; Initialize the GPRs
6. MOV r1,#0
7. MOV r2,#0
8. MOV r3,#0
9. MOV r4,#0
10. MOV r5,#0
11. MOV r6,#0
12. MOV r7,#0
13. MOV r8,#0
14. MOV r9,#0
15. MOV r10,#0
16. MOV r11,#0
17. MOV r12,#0
18. CPSIE i ; Unmask interrupts
19. import start
20. BL start ; call the C code
21. __done
22. B __done
23. 
    
24. 
    
25. END

這段代碼算是芯片復(fù)位后執(zhí)行的第一段代碼（如果沒有其他異常的話）。作為一個通常的規(guī)則，推薦先把通用寄存器（R0-R12）清零。然后是使能中斷，跳轉(zhuǎn)到start標號（或函數(shù)）處繼續(xù)執(zhí)行。

========================

在start.c文件中找到了start函數(shù)：

1. /*start.c片段*/
   
2. void start(void)
   
3. {
   
4.     /* Disable the watchdog timer */
   
5.     wdog_disable();
   
6. 
   
7.     /* Copy any vector or data sections that need to be in RAM */
   
8.     common_startup();
   
9. 
   
10.     /* Perform processor initialization */
    
11.     sysinit();
    
12.         
    
13.     printf("\n\n");
    
14.     
    
15.     /* Determine the last cause(s) of reset */
    
16.     if (MC_SRSH & MC_SRSH_SW_MASK)
    
17.         printf("Software Reset\n");
    
18.     if (MC_SRSH & MC_SRSH_LOCKUP_MASK)
    
19.         printf("Core Lockup Event Reset\n");
    
20.     if (MC_SRSH & MC_SRSH_JTAG_MASK)
    
21.         printf("JTAG Reset\n");
    
22.     
    
23.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_POR_MASK)
    
24.         printf("Power-on Reset\n");
    
25.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_PIN_MASK)
    
26.         printf("External Pin Reset\n");
    
27.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_COP_MASK)
    
28.         printf("Watchdog(COP) Reset\n");
    
29.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_LOC_MASK)
    
30.         printf("Loss of Clock Reset\n");
    
31.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_LVD_MASK)
    
32.         printf("Low-voltage Detect Reset\n");
    
33.     if (MC_SRSL & MC_SRSL_WAKEUP_MASK)
    
34.         printf("LLWU Reset\n");    
    
35.     
    
36. 
    
37.     /* Determine specific Kinetis device and revision */
    
38.     cpu_identify();
    
39.     
    
40.     /* Jump to main process */
    
41.     main();
    
42. 
    
43.     /* No actions to perform after this so wait forever */
    
44.     while(1);
    
45. }

start函數(shù)中，首先執(zhí)行 wdog_disable()函數(shù)來禁用看門狗，然后調(diào)用 common_startup()函數(shù)初始化RAM(復(fù)制向量表、清零.bss段等，為C語言運行環(huán)境做準備)，接著執(zhí)行sysinit()函數(shù)初始化芯片（時鐘、用到的外設(shè)等）。下面依次分析這3個函數(shù)。

①wdog_disable()

對系統(tǒng)的設(shè)定無非是對各個寄存器值的修改。wdog_disable()函數(shù)在wdog.c文件中

1. /*wdog.c片段*/
2. 
   
3. void wdog_disable(void)
   
4. {
   
5.     /* First unlock the watchdog so that we can write to registers */
   
6.     wdog_unlock();
   
7.     
   
8.     /* Clear the WDOGEN bit to disable the watchdog */
   
9.     WDOG_STCTRLH &= ~WDOG_STCTRLH_WDOGEN_MASK;
   
10. }
    
11. 
    
12. void wdog_unlock(void)
    
13. {
    
14.   /* NOTE: DO NOT SINGLE STEP THROUGH THIS */
    
15.   /* There are timing requirements for the execution of the unlock. If
    
16.    * you single step through the code you will cause the CPU to reset.
    
17.    */
    
18. 
    
19.     /* This sequence must execute within 20 clock cycles, so disable
    
20.          * interrupts will keep the code atomic and ensure the timing.
    
21.          */
    
22.         DisableInterrupts;
    
23.     
    
24.     /* Write 0xC520 to the unlock register */
    
25.     WDOG_UNLOCK = 0xC520;
    
26.     
    
27.     /* Followed by 0xD928 to complete the unlock */
    
28.     WDOG_UNLOCK = 0xD928;
    
29.     
    
30.     /* Re-enable interrupts now that we are done */    
    
31.            EnableInterrupts;
    
32. }

禁用看門狗流程很簡單：先是解鎖寄存器，然后更改看門狗寄存器里面的值來禁用看門狗。解鎖看門狗寄存器：向解鎖寄存器里連續(xù)寫入0xC520和0xD928，兩次寫入的時間必須小于20個時鐘周期。所以在解鎖過程中不能單步運行，期間也不能被中斷打斷，解鎖函數(shù)是 wdog_unlock()。上面DisableInterrupts和EnableInterrupts已經(jīng)在arm_cm4.h中定義過：

#define DisableInterrupts asm(" CPSID i");

#define EnableInterrupts asm(" CPSIE i");

解鎖看門狗寄存器后，向看門狗寄存器里寫入適當?shù)闹稻涂梢越�用看門狗了。

也就是把WDOG_STCTRLH 寄存器（地址是0x40052000）的第0位置0.

②common_startup

初始化RAM(復(fù)制向量表、清零.bss段等，為C語言運行環(huán)境做準備)。

1.      1 /* File: startup.c */
   
2.      2 #include "common.h"
   
3. 
   
4.      3 #pragma section = ".data"
   
5.      4 #pragma section = ".data_init"
   
6.      5 #pragma section = ".bss"
   
7.      6 #pragma section = "CodeRelocate"
   
8.      7 #pragma section = "CodeRelocateRam"
   
9. 
   
10.      8 /********************************************************************/
    
11.      9 void
    
12.     10 common_startup(void)
    
13.     11 {
    
14. 
    
15.     12 /* Declare a counter we'll use in all of the copy loops */
    
16.     13 uint32 n;
    
17. 
    
18.     14 /* Declare pointers for various data sections. These pointers
    
19.     15 * are initialized using values pulled in from the linker file
    
20.     16 */
    
21.     17 uint8 * data_ram, * data_rom, * data_rom_end;
    
22.     18 uint8 * bss_start, * bss_end;
    
23. 
    
24.     19 /* Addresses for VECTOR_TABLE and VECTOR_RAM come from the linker file */
    
25.     20 extern uint32 __VECTOR_TABLE[];
    
26.     21 extern uint32 __VECTOR_RAM[];
    
27. 
    
28.     22 /* Copy the vector table to RAM */
    
29.     23 if (__VECTOR_RAM != __VECTOR_TABLE)
    
30.     24 {
    
31.     25 for (n = 0; n < 0x410; n++)
    
32.     26 __VECTOR_RAM[n] = __VECTOR_TABLE[n];
    
33.     27 }
    
34. 
    
35.     28 /* Point the VTOR to the new copy of the vector table */
    
36.     29 write_vtor((uint32)__VECTOR_RAM);
    
37. 
    
38.     30 /* Get the addresses for the .data section (initialized data section) */
    
39.     31 data_ram = __section_begin(".data");
    
40.     32 data_rom = __section_begin(".data_init");
    
41.     33 data_rom_end = __section_end(".data_init");
    
42.     34 n = data_rom_end - data_rom;
    
43. 
    
44.     35 /* Copy initialized data from ROM to RAM */
    
45.     36 while (n--)
    
46.     37 *data_ram++ = *data_rom++;
    
47. 
    
48.     38 /* Get the addresses for the .bss section (zero-initialized data) */
    
49.     39 bss_start = __section_begin(".bss");
    
50.     40 bss_end = __section_end(".bss");
    
51. 
    
52.     41 /* Clear the zero-initialized data section */
    
53.     42 n = bss_end - bss_start;
    
54.     43 while(n--)
    
55.     44 *bss_start++ = 0;
    
56. 
    
57.     45 /* Get addresses for any code sections that need to be copied from ROM to RAM.
    
58.     46 * The IAR tools have a predefined keyword that can be used to mark individual
    
59.     47 * functions for execution from RAM. Add "__ramfunc" before the return type in
    
60.     48 * the function prototype for any routines you need to execute from RAM instead
    
61.     49 * of ROM. ex: __ramfunc void foo(void);
    
62.     50 */
    
63.     51 uint8* code_relocate_ram = __section_begin("CodeRelocateRam");
    
64.     52 uint8* code_relocate = __section_begin("CodeRelocate");
    
65.     53 uint8* code_relocate_end = __section_end("CodeRelocate");
    
66. 
    
67.     54 /* Copy functions from ROM to RAM */
    
68.     55 n = code_relocate_end - code_relocate;
    
69.     56 while (n--)
    
70.     57 *code_relocate_ram++ = *code_relocate++;
    
71.     58 }

在IAR中, #pragma section="NAME" [align] 用來在C語言中指定一個名稱是NAME的段，align指定對齊方式。指定的段可以被段操作符來引用，段操作符包括 __section_begin, __section_end, 和 __section_size.  個人理解.date、.date_init和.bss應(yīng)該是IAR中保留的段名稱，.date代表數(shù)據(jù)段中的常量，.date_init代表數(shù)據(jù)段中已初始化的變量，.bss代表未初始化的變量(zero)。

上面代碼中，先是指定了5個不同名稱的段(前3個是保留段名稱，代表這些段是從這里開始的)，CodeRelocate和CodeRelocateRam是在*.icf文件中定義的塊(block)：

define block CodeRelocate { section .textrw_init }; define block CodeRelocateRam { section .textrw };

quote:

The __ramfunc keyword makes a function execute in RAM. Two code

sections will be created: one for the RAM execution (.textrw), and one for the ROM initialization (.textrw_init).

外部變量引用

extern uint32 __VECTOR_TABLE[]; extern uint32 __VECTOR_RAM[];

來自IAR的鏈接文件（.icf），在.icf文件中已經(jīng)定義了變量 __VECTOR_TABLE 和 __VECTOR_RAM 其值都是0x1fff0000."Copy the vector table to RAM"這段代碼進行判斷，如果向量表不在RAM中，則把向量表拷貝到RAM開始的地址上，這里由于在RAM中調(diào)試，代碼是直接下載到RAM中的，所以不用拷貝。

向量表已經(jīng)在RAM中了，接下來要重定向向量表，以便在發(fā)生異常時到RAM中取得異常入口地址（默認情況下是在0x0�。�。  write_vtor((uint32)__VECTOR_RAM) 這個函數(shù)用來寫向量表偏移寄存器（VTOR，地址0xE000_ED08），這里寫入的是RAM起始地址0x1FFF0000。注意這個地址是有要求的，并不是所有地址都能作為向量表起始地址，0x1FFF0000滿足要求（這個要求就是：必須先求出系統(tǒng)中共有多少個向量，再把這個數(shù)字向上增大到是 2 的整次冪，而起始地址必須對齊到后者的邊界上。例如，如果一共有 32 個中斷，則共有 32+16（系統(tǒng)異常）=48個向量，向上增大到 2的整次冪后值為 64，因此地址地址必須能被 64*4=256整除，從而合法的起始地址可以是：0x0,0x100,0x200 等----參見ARM Contex-M3權(quán)威指南）。另外，如果向量表在RAM區(qū)(相對于code區(qū))，需把bit[29]置位，這里0x1FFF0000也滿足要求。

后面的代碼是拷貝數(shù)據(jù)到RAM中，搭建好C語言運行環(huán)境。

③sysinit()函數(shù)

(待續(xù)。。。)