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代码优化：使用C语言重构单片机汇编启动代码

时间：2024-08-04 14:25:28浏览次数：12  
标签：初始化 代码 ALIGN C语言 单片机 代码优化 Handler main uint32

目录

前言

在近期的工作需求中，我需要对实时操作系统（RTOS）的底层代码进行一些必要的调整。为此，我重新深入研究了ARM架构的相关知识点。在这一过程中，我回顾了之前一直让我感到困惑的一个技术问题：在几乎所有的单片机项目代码库中，都存在一个名为start.s的汇编语言启动代码文件。由于我并没有系统地学习过汇编语言，因此对于这段代码的理解总是停留在一知半解的层面。

在整个项目中，通常只有一个汇编文件，专门去学习汇编语言似乎显得有些不必要。因此，我考虑是否可以使用C语言来实现这一汇编代码的功能。这样的做法不仅可以避免学习新的语言，而且可能在某些情况下提供更高的代码可读性和可维护性。

实现思路

单片机启动流程

单片机的启动流程可以大致归纳为以下几步：

  1. 上电或复位信号触发，单片机开始启动过程。
  2. 硬件检查栈指针初始化，通常指向预设的栈顶地址。
  3. 硬件从中断向量表中读取复位处理程序的入口地址。
  4. 执行复位处理程序（Reset_Handler），进行系统初始化。
  5. 复位处理程序从 Flash 复制初始化数据到 RAM。
  6. 复位处理程序清零 BSS 段，初始化未初始化的数据段。
  7. 复位处理程序跳转到 main 函数，开始执行主程序。

因此理论上，只要能完成以上步骤，无论使用用什么编程语言，都可以实现，其中 2 中栈起始位置的设置，4 - 7 Reset_Handler函数的实现是我们需要做的，其余是硬件已经做好的。

汇编语言分析

先看一段CubeMX生成的项目中的startup.s

  .syntax unified
  .cpu cortex-m3
  .fpu softvfp
  .thumb

.global g_pfnVectors
.global Default_Handler


.word _sidata
.word _sdata
.word _edata
.word _sbss
.word _ebss

.equ  BootRAM, 0xF108F85F

  .section .text.Reset_Handler
  .weak Reset_Handler
  .type Reset_Handler, %function
Reset_Handler:

  ldr r0, =_sdata
  ldr r1, =_edata
  ldr r2, =_sidata
  movs r3, #0
  b LoopCopyDataInit

CopyDataInit:
  ldr r4, [r2, r3]
  str r4, [r0, r3]
  adds r3, r3, #4

LoopCopyDataInit:
  adds r4, r0, r3
  cmp r4, r1
  bcc CopyDataInit
  
  ldr r2, =_sbss
  ldr r4, =_ebss
  movs r3, #0
  b LoopFillZerobss

FillZerobss:
  str  r3, [r2]
  adds r2, r2, #4

LoopFillZerobss:
  cmp r2, r4
  bcc FillZerobss

  bl __libc_init_array
  bl main
  bx lr
.size Reset_Handler, .-Reset_Handler

   .section .text.Default_Handler,"ax",%progbits
Default_Handler:
Infinite_Loop:
  b Infinite_Loop
  .size Default_Handler, .-Default_Handler

  .section .isr_vector,"a",%progbits
  .type g_pfnVectors, %object
  .size g_pfnVectors, .-g_pfnVectors
g_pfnVectors:

  .word _estack
  .word Reset_Handler
  .word NMI_Handler
  .word HardFault_Handler
  /* 省略后面的项 */
  /*	...     */


  .weak NMI_Handler
  .thumb_set NMI_Handler,Default_Handler

  .weak HardFault_Handler
  .thumb_set HardFault_Handler,Default_Handler
  /* 省略后面的项 */
  /*	...     */

在这段代码中，其实最主要事就是两件

  • 定义了入口函数Reset_Handler，通过它最终进入main函数
  • 定义中断向量表，其中最主要的是前面两项：设置栈起始位置，设置入口函数

因此我们可以用C语言去做这两件事

开发环境

  • 硬件平台

​ stm32f103c8t6最小系统板。便宜

  • 编译器

​ gcc-arm-none-eabi + make。由于要保证底层的运行都是可控的，因此使用这一套工具链使用起来会更加方便。

  • 调试器

​ openocd + stlink。用于烧录调试代码

  • 代码编辑器

​ vscode。好用，懂的都懂

代码分析

废话不多说，上代码。总共有以下三个代码文件main.c，linker.ld和Makefile

  • main.c实现功能的主要代码。

    1. 实现了reset_handler函数

    2. 定义了中断向量表

typedef unsigned int uint32_t;

/* 声明所需寄存器 */
#define RCC_APB2ENR *(uint32_t*)0x40021018
#define GPIOC_CRH *(uint32_t*)0x40011004
#define GPIOC_ODR *(uint32_t*)0x4001100c

/* 在ld文件中声明的地址 */
extern uint32_t _estack;  /* 栈顶地址 */
extern uint32_t _sdata;   /* 已初始化数据段起始地址（Flash）*/
extern uint32_t _edata;   /* 已初始化数据段结束地址（Flash）*/
extern uint32_t _sidata;  /* 已初始化数据段起始地址（SRAM）*/
extern uint32_t _sbss;    /* 未初始化数据段（BSS）起始地址 */
extern uint32_t _ebss;    /* 未初始化数据段（BSS）结束地址 */

/* 主函数声明 */
int main(void);           

/* 硬件复位后开始执行的启动代码 */
void reset_handler(void)
{
    uint32_t *src, *dest;
    uint32_t *end;

    /* 复制数据段初始化值从Flash到SRAM */
    src = (uint32_t *)&_sidata;
    dest = (uint32_t *)&_sdata;
    end = (uint32_t *)&_edata;
    while (dest < end) {
        *dest++ = *src++;
    }

    /* 清零BSS段 */ 
    dest = (uint32_t *)&_sbss;
    end = (uint32_t *)&_ebss;
    while (dest < end) {
        *dest++ = 0;
    }

    /* 进入main */
    main();

    /* 以防main函数返回 */
    while (1) {
        ;
    }
}

/* 设置中断向量表 */
typedef void (*irq_handler)(void); /* 中断向量类型 */

/* 将中断向量表放在.isr_vector段 */
__attribute__((section(".isr_vector")))
__attribute__((aligned(4)))
irq_handler g_pfn_vectors[] = {
    (irq_handler) &_estack,
    reset_handler,
};

/* 延时1秒 */
void delay(void)
{
    volatile int times = 1000000;
    while (times--) {
        ;
    }
}

/* LED(PC13)闪烁，间隔1秒 */
int main(void)
{
    RCC_APB2ENR |= (1 << 4);
    GPIOC_CRH |= (1 << 20); /* GIPOC13 */

    while (1) {
        GPIOC_ODR |= (1 << 13); /* 拉高默认低 */
        delay();
        GPIOC_ODR &= ~(1 << 13); /* 拉低 */
        delay();
    }
}
  • linker.ld规定将生成的二进制文件放在内存中对应的位置，比如中断向量表存放在0x08000000这个位置，就是在这个文件中规定的。
    • 基本都是固定写法，用汇编和C区别不大。定义了内存中各个段的位置变量，方便在其它文件中进行操作，如main.c对各个段的初始化操作都需要用到这里定义的变量，中断向量表存放的段也在这里声明。
ENTRY(reset_handler) /* 程序入口地址（可以不写，为了可读性） */

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM); /* 栈向下生长，起始位置为RAM地址最后 */
_Min_Heap_Size = 0x200;  /* 堆内存大小  */
_Min_Stack_Size = 0x400; /* 栈内存大小 */

/* 内存分布 */
MEMORY
{
    RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x8000000, LENGTH = 64K
}

/* 定义输出段 */
SECTIONS
{
    /* 启动代码从FLASH的第一段开始 */
    .isr_vector :
    {
        . = ALIGN(4);
        KEEP(*(.isr_vector)) /* 向量表 */
        . = ALIGN(4);
    } >FLASH

    /* 程序代码和其他数据进入FLASH */
    .text :
    {
        . = ALIGN(4);
        *(.text)     
        *(.text*)    /* 代码 */
        KEEP (*(.init))
        KEEP (*(.fini))
        . = ALIGN(4);
        _etext = .;   
    } >FLASH

    /* 只读数据段存放在FLASH中 */
    .rodata :
    {
        . = ALIGN(4);
        *(.rodata)         /* 只读数据 */
        *(.rodata*) 
        . = ALIGN(4);
    } >FLASH

    /* 用于初始化数据段 */
    _sidata = LOADADDR(.data);

    /* 已初始化的数据段会加载到RAM中，加载内存地址副本会在代码段之后被创建 */
    .data : 
    {
        . = ALIGN(4);
        _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
        *(.data)           /* .data sections */
        *(.data*)          /* .data* sections */

        . = ALIGN(4);
        _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
    } >RAM AT> FLASH


    /* 未初始化数据段 */
    . = ALIGN(4);
    .bss :
    {
        _sbss = .;
        __bss_start__ = _sbss;
        *(.bss)
        *(.bss*)
        *(COMMON)

    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;
    __bss_end__ = _ebss;
    } >RAM

    /* 
     * 此段不占内存，用于检查RAM中是否足够存储stack和heap 
     * 如果内存不够，链接器会报错
     */
    ._user_heap_stack : 
    {
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(8);
    } >RAM

    /* 移除标准库中没用使用的信息，减少最后生成文件的内存 */
    /DISCARD/ :
    {
    libc.a ( * )
    libm.a ( * )
    libgcc.a ( * )
    }

    .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}
  • Makefile文件多的时候方便构建所有代码，本次由于编译选项较多，为了方便用make构建，也可以不用。
#编译器
PREFIX = arm-none-eabi-
CC = $(PREFIX)gcc
AS = $(PREFIX)gcc -x assembler-with-cpp
OBJCOPY = $(PREFIX)objcopy
OBJDUMP = $(PREFIX)objdump
SZ = $(PREFIX)size

#生成目标
TARGET = main

#可选
OPT = -Og

# C文件
C_SOURCES =  main.c
ASM_SOURCES =

HEX = $(OBJCOPY) -O ihex
BIN = $(OBJCOPY) -O binary -S

CPU = -mcpu=cortex-m3

MCU = $(CPU) -mthumb $(FPU) $(FLOAT-ABI)

ASFLAGS = $(MCU) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections
CFLAGS += $(MCU) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections

CFLAGS += -g -gdwarf-2 -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)"

#链接脚本
LDSCRIPT = c8t6.ld

LIBS = -lc -lm -lnosys 
LIBDIR = 
LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) -Wl,-Map=$(TARGET).map,--cref -Wl,--gc-sections -nostartfiles

all: $(TARGET).elf $(TARGET).hex $(TARGET).bin

OBJECTS = main.o 

%.o: %.c $(LDSCRIPT)
	$(CC) -c $(CFLAGS) -Wa,-a,-ad,-alms=$(notdir $(<:.c=.lst)) $< -o $@

%.o: %.s $(LDSCRIPT)
	$(AS) -c $(CFLAGS) $< -o $@

$(TARGET).elf: $(OBJECTS) Makefile
	$(CC) $(OBJECTS) $(LDFLAGS) -o $@
	$(SZ) $@

%.hex: %.elf
	$(HEX) $< $@
	
%.bin: %.elf
	$(BIN) $< $@	

#下载命令
install: $(TARGET).hex
	openocd -f openocd.cfg -c "program main.hex verify reset" -c "reset run" -c "exit"

.PHONY: clean
clean:
	-rm -f $(OBJECTS) $(TARGET).elf $(TARGET).hex $(TARGET).lst $(TARGET).bin $(TARGET).map ./*.d

总结

第一次发帖，可能讲不够细致，欢迎大家评论，我都会一一回复。

标签：初始化,代码,ALIGN,C语言,单片机,代码优化,Handler,main,uint32
From： https://blog.csdn.net/weixin_44884878/article/details/140905771

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