STM32單片機到底是如何實現軟硬件結合？

本文分析 STM32 單片機到底是如何實現軟硬件結合的，接著分析單片機程序如何編譯、運行。

軟硬件結合

初學者，通常有一個困惑，就是為什么軟件能控制硬件？就像當年的 51單片機，為什么只要寫 P1=0X55，就可以在 IO 口輸出高低電平？要理清這個問題，先要認識一個概念：地址空間。

尋址空間

什么是地址空間呢？所謂的地址空間，就是PC指針的尋址范圍，因此也叫尋址空間。

大家應該都知道，我們的電腦有32位系統和64位系統之分，為什么呢？因為32位系統，PC指針就是一個32位的二進制數，也就是0xffffffff，范圍只有4G尋址空間。現在內存越來越大，4G根本不夠，所以需要擴展，為了能訪問超出4G范圍的內存，就有了64位系統。STM32是多少位的？是32位的，因此PC指針也是32位，尋址空間也就是4G。

我們來看看STM32的尋址空間是怎么樣的。在數據手冊《STM32F407_數據手冊.pdf》中有一個圖，這個圖，就是STM32的尋址空間分配。所有的芯片，都會有這個圖，名字基本上都是叫Memory map，用一個新芯片，就先看這個圖。

最左邊，8個block，每個block 512M，總共就是4G，也就是芯片的尋址空間。

block 0 里面有一段叫做FLASH，也就是內部FLASH，我們的程序就是下載到這個地方，起始地址是0X800 0000，大家注意，這個只有1M空間。現在STM32已經有2M flash的芯片了，超出1M的FLASH放在哪里呢？請自行查看對應的芯片手冊。

在block 1 內，有兩段SRAM，總共128K，這個空間，也就是我們前面說的內存，存放程序使用的變量。如果需要，也可以把程序放到SRAM中運行。407不是有196K嗎？

其實407有196K內存，但是有64k并不是普通的SRAM，而是放在block 0 內的CCM。

這兩段區域不連續，而且，CCM只能內核使用，外設不能使用，例如DMA就不能用CCM內存，否則就死機。

block 2，是Peripherals，也就是外設空間。我們看右邊，主要就是APB1/APB2、AHB1/AHB2，什么東西呢？回頭再說。

block 3、block4、block5，是FSMC的空間，FSMC可以外擴SRAM，NAND FALSH，LCD等外設。

好的，我們分析了尋址空間，我們回過頭看看，軟件是如何控制硬件的。對于這個疑惑，也可以看此文：代碼是如何控制硬件的？在IO口輸出的例程中，我們配置IO口是調用庫函數，我們看看庫函數是怎么做的。例如：

GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3);

這個函數其實就是對一個變量賦值，對GPIOx這個結構體的成員BSRRL賦值。

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
 /* Check the parameters */
 assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
 assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));


 GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;
}

assert_param：這個是斷言，用于判斷輸入參數是否符合要求，GPIOx是一個輸入參數，是一個 GPIO_TypeDef 結構體指針，所以，要用 -> 獲取其成員。

GPIOx是我們傳入的參數GPIOG，具體是啥？在stm32f4xx.h中有定義。

#define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)

GPIOG_BASE同樣在文件中有定義，如下：

#define GPIOG_BASE           (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800)

AHB1PERIPH_BASE，AHB1地址，有點眉目了吧？在進一步看看

/*! 再找找PERIPH_BASE的定義

#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)

到這里，我們可以看出，操作IO口G，其實就是操作 0X40000000+0X1800 這個地址上的一個結構體里面的成員。說白了，就是操作了這個地方的寄存器。實質上跟我們操作普通變量一樣，就像下面的兩句代碼，區別就是變量i是SRAM空間地址，0X40000000+0X1800 是外設空間地址。

u32 i;
i = 0x55aa55aa;

這個外設空間地址的寄存器是IO口硬件的一部分。如下圖，左邊的輸出數據寄存器，就是我們操作的寄存器（內存、變量），它的地址就是 0X40000000+0X1800+0x14。

控制其他外設也類似，就是將數據寫到外設寄存器上，跟操作內存一樣，就可控制外設了。

寄存器，其實應該是內存的統稱，外設寄存器應該叫做特殊寄存器。慢慢的，所有人都把外設的叫做寄存器，其他的統稱內存或RAM。寄存器為什么能控制硬件外設呢？因為，初略的說，一個寄存器的一個BIT，就是一個開關，開就是1，關就是0。通過這個電子開關去控制電路，從而控制外設硬件。

純軟件-包羅萬象的小程序

我們已經完成了串口和IO口的控制，但是我們僅僅知道了怎么用，對其他一無所知。程序怎么跑的？代碼到底放在那里？內存又是怎么保存的？下面，我們通過一個簡單的程序，學習嵌入式軟件的基本要素。

分析啟動代碼

函數從哪里開始運行？

每個芯片都有復位功能，復位后，芯片的PC指針（一個寄存器，指示程序運行位置，對于多級流水線的芯片，PC可能跟真正執行的指令位置不一致，這里暫且認為一致）會復位到固定值，一般是0x00000000，在STM32中，復位到 0X08000004。因此復位后運行的第一條代碼就是 0X08000004。前面我們不是拷貝了一個啟動代碼文件到工程嗎？

startup_stm32f40_41xxx.s，這個匯編文件為什么叫啟動代碼？因為里面的匯編程序，就是復位之后執行的程序。在文件中，有一段數據表，稱為中斷向量，里面保存了各個中斷的執行地址。復位，也是一個中斷。

芯片復位時，芯片從中斷表中將 Reset_Handler 這個值（函數指針）加載到PC指針，芯片就會執行 Reset_Handler 函數了。（一個函數入口就是一個指針）

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
              AREA    RESET, DATA, READONLY
              EXPORT  __Vectors
              EXPORT  __Vectors_End
              EXPORT  __Vectors_Size


__Vectors????DCD?????__initial_sp???????????;?Top?of?Stack
?????????????DCD?????Reset_Handler??????????;?Reset?Handler
?????????????DCD?????NMI_Handler????????????;?NMI?Handler
?????????????DCD?????HardFault_Handler??????;?Hard?Fault?Handler
?????????????DCD?????MemManage_Handler??????;?MPU?Fault?Handler
?????????????DCD?????BusFault_Handler???????;?Bus?Fault?Handler
?????????????DCD?????UsageFault_Handler?????;?Usage?Fault?Handler

Reset_Handler 函數，先執行 SystemInit 函數，這個函數在標準庫內，主要是初始芯片時鐘。然后跳到 __main 執行，__main 函數是什么函數？

是我們在 main.c 中定義的 main 函數嗎？后面我們再說這個問題。

; Reset handler
Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main


                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

芯片是怎么知道開始就執行啟動代碼的呢？或者說，我們如何把這個啟動代碼放到復位的位置？這就牽涉到一個一般情況下不關注的文件 wujique.sct，這個文件在 wujiqueprjObjects 目錄下，通常把這個文件叫做分散加載文件，編譯工具在鏈接時，根據這個文件放置各個代碼段和變量。

在 MDK 軟件 Options 菜單 Linker 下有關于這個菜單的設置。

把 Use Memory Layout from Target Dialog 前面的勾去掉，之前不可設置的框都可以設置了。點擊 Edit 進行編輯。

在代碼編輯框出現了分散加載文件內容，當前文件只有基本的內容。

其實這個文件功能很強大，通過修改這個文件可以配置程序的很多功能，例如：1 指定FLASH跟RAM的大小于起始位置，當我們把程序分成BOOT、CORE、APP，甚至進行驅動分離的時候，就可以用上了。2 指定函數與變量的位置，例如把函數加載到RAM中運行。

從這個基本的分散加載文件我們可以看出：

第6行 ER_IROM1 0x08000000 0x00080000定義了ER_IROM1，也就是我們說的內部FLASH，從 0x08000000 開始，大小 0x00080000。

第7行.o (RESET, +First)從 0x08000000 開始，先放置一個.o文件，并且用(RESET, +First)指定RESET塊優先放置，RESET塊是什么？請查看啟動代碼，中斷向量就是一個AREA，名字叫RESET，屬于READONLY。這樣編譯后，RESET塊將放在0x08000000位置，也就是說，中斷向量就放在這個地方。

DCD是分配空間，4字節，第一個就是__initial_sp，第二個就是Reset_Handler函數指針。也就是說，最后編譯后的程序，將Reset_Handler這個函數的指針（地址），放在0x800000+4的地方。所以芯片在復位的時候，就能找到復位函數Reset_Handler。

第8行 *(InRoot$$Sections)什么鬼？GOOGLE啊！回頭再說。

第9行 .ANY (+RO)意思就是其他的所有RO，順序往后放。就是說，其他代碼，跟著啟動代碼后面。

第11行 RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000定義了RAM大小。

第12行 .ANY (+RW +ZI)所有的RW ZI，全部放到RAM里面。RW,ZI，也就是變量，這一行指定了變量保存到什么地址。

分析用戶代碼

到此，基本啟動過程已經分析完。下一步開始分析用戶代碼，就從 main 函數開始。（1）程序跳轉到main函數后，RCC_GetClocksFreq 獲取RCC時鐘頻率；SysTick_Config 配置SysTick，在這里打開了SysTick中斷，10毫秒一次。Delay(5);延時50毫秒。

int main(void){  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*!< At this stage the microcontroller clock setting is already configured,  this is done through SystemInit() function which is called from startup   files before to branch to application main.???To?reconfigure?the?default?setting?of?SystemInit()?function,???refer?to?system_stm32f4xx.c?file?*/  /* SysTick end of count event each 10ms */  RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);  SysTick_Config(RCC_Clocks.HCLK_Frequency / 100);  /* Add your application code here */  /* Insert 50 ms delay */  Delay(5);

（2）初始化 IO 就不說了，進入while(1)，也就是一個死循環，嵌入式程序，都是一個死循環，否則就跑飛了。

/*初始化LED IO口*/
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);


GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;


GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);    


/* Infinite loop */
mcu_uart_open(3);
while (1)
{
  GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3);
  Delay(100);
  GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3);
  Delay(100);
  mcu_uart_test();


  TestFun(TestTmp2);
}

（3）在while(1)中調用TestFun函數，這個函數使用兩個全局變量，兩個局部變量。

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
u32 TestTmp1 = 5;//全局變量，初始化為5
u32 TestTmp2;//全局變量，未初始化


const u32 TestTmp3[10] = {6,7,8,9,10,11,12,13,12,13};


u8 TestFun(u32 x)//函數，帶一個參數，并返回一個u8值
{
 u8 test_tmp1 = 4;//局部變量，初始化
 u8 test_tmp2;//局部變量，未初始化


 static u8 test_tmp3 = 0;//靜態局部變量


 test_tmp3++;


 test_tmp2 = x;


 if(test_tmp2> TestTmp1)
  test_tmp1 = 10;
 else
  test_tmp1 = 5;


 TestTmp2 +=TestTmp3[test_tmp1];


 return test_tmp1;
}

然后程序就一直在 main 函數的 while 循環里面執行。中斷呢？對，還有中斷。中斷中斷，就是中斷正常的程序執行流程。我們查看Delay函數，uwTimingDelay不等于0就死等？誰會將uwTimingDelay改為0？

/**
  * @brief  Inserts a delay time.
  * @param  nTime: specifies the delay time length, in milliseconds.
  * @retval None
  */
void Delay(__IO uint32_t nTime)
{
  uwTimingDelay = nTime;


  while(uwTimingDelay != 0);
}

搜索 uwTimingDelay 變量，函數 TimingDelay_Decrement 會將變量一直減到0。

/**
  * @brief  Decrements the TimingDelay variable.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void TimingDelay_Decrement(void)
{
  if (uwTimingDelay != 0x00)
  {
    uwTimingDelay--;
  }
}

這個函數在哪里執行？經查找，在 SysTick_Handler 函數中運行。誰用這個函數？

/**
  * @brief  This function handles SysTick Handler.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SysTick_Handler(void)
{
  TimingDelay_Decrement();
}

經查找，在中斷向量表中有這個函數，也即是說這個函數指針保存在中斷向量表內。當發生中斷時，就會執行這個函數。當然，在進出中斷會有保存和恢復現場的操作。這個主要涉及到匯編，暫時不進行分析了。有興趣自己研究研究。通常，現在我們開發程序不用關心上下文切換了。

__Vectors???DCD?????__initial_sp???????????;?Top?of?Stack
????????????DCD?????Reset_Handler??????????;?Reset?Handler
????????????DCD?????NMI_Handler????????????;?NMI?Handler??????
????????????DCD?????HardFault_Handler??????;?Hard?Fault?Handler?
????????????DCD?????MemManage_Handler??????;?MPU?Fault?Handler???
????????????DCD?????BusFault_Handler???????;?Bus?Fault?Handler??
????????????DCD?????UsageFault_Handler?????;?Usage?Fault?Handler?
????????????DCD?????0??????????????????????;?Reserved??????
????????????DCD?????0??????????????????????;?Reserved?????
????????????DCD?????0??????????????????????;?Reserved????
????????????DCD?????0??????????????????????;?Reserved????
????????????DCD?????SVC_Handler????????????;?SVCall?Handler??
????????????DCD?????DebugMon_Handler???????;?Debug?Monitor?Handler?
????????????DCD?????0??????????????????????;?Reserved?????
????????????DCD?????PendSV_Handler?????????;?PendSV?Handler??
????????????DCD?????SysTick_Handler????????;?SysTick?Handler

余下問題 1 __main函數是什么函數？是我們在 main.c 中定義的 main 函數嗎？ 2 分散加載文件中 *(InRoot$$Sections) 是什么？ 3 ZI 段，也就是初始化為 0 的數據段，什么時候初始化？誰初始化？為什么這幾個問題前面留著不說？因為這是同一個問題。順藤摸瓜！

通過 MAP 文件了解代碼構成

編譯結果

程序編譯后，在下方的 Build Output 窗口會輸出信息：

*** Using Compiler 'V5.06 update 5 (build 528)', folder: 'C:Keil_v5ARMARMCCBin'
Build target 'wujique'
compiling stm32f4xx_it.c...
...
assembling startup_stm32f40_41xxx.s...
compiling misc.c...
...
compiling mcu_uart.c...
linking...
Program Size: Code=9038 RO-data=990 RW-data=40 ZI-data=6000  
FromELF: creating hex file...
".Objectswujique.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
Build Time Elapsed:  0032

編譯目標是 wujique

C文件compiling，匯編文件assembling，這個過程叫編譯

編譯結束后，就進行link，鏈接。

最后得到一個編譯結果，9038字節code，RO 990，RW 40，ZI 6000。CODE，是代碼，很好理解，那RO、RW、ZI都是什么？

FromELF，創建hex文件，FromELF是一個好工具，需要自己添加到option中才能用

map文件配置

更多編譯具體信息在 map文件中，在 MDK Options 中我們可以看到，所有信息都放在 Listingswujique.map

默認很多編譯信息可能沒鉤，鉤上所有信息會增加編譯時間。

map文件

打開map文件，好亂？習慣就好。我們抓重點就行了。

map 總信息

從最后看起，看到沒？最后的這一段map內容，說明了整個程序的基本概況。 有多少RO？RO到底是什么？有多少RW？RW又是什么？

ROM為什么不包括ZI Data？為什么包含RW Data？

Image component sizes

往上，看看 Image component sizes，這個就比剛剛的總體統計更細了。 這部分內容，說明了每個源文件的概況

首先，是我們自己的源碼，這個程序我們的代碼不多，只有 main.o，wujique_log.o，和其他一些 STM32 的庫文件。

第2部分是庫里面的文件，看到沒？里面有一個 main.o。main函數是不是我們寫的 main函數？明顯不是，我們的 main 函數是放在main.o文件。這么小的一個工程，用了這么多庫，你以前關注過嗎？估計沒有，除非你曾經將一個原本在1M flash上的程序壓縮到能在512K上運行。

第3部分也是庫，暫時沒去分析這兩個是什么東西。

庫文件是什么？庫文件就是別人已經別寫好的代碼庫。在代碼中，我們經常會包含一些頭文件，例如：

#include #include #include ? 這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發工具的安裝目錄下。我們經常用的庫函數有：memcpy、memcmp、strcmp等。只要代碼中包含了這些函數，就會鏈接庫文件。

文件map

再往上，就是文件 MAP 了，也就時每個文件中的代碼段（函數）跟變量在ROM跟RAM中的位置。首先是 ROM 在 0x08000000 確實放的是 startup_stm32f40_41xxx.o 中的RESET。

庫文件是什么？

庫文件就是別人已經別寫好的代碼庫。

在代碼中，我們經常會包含一些頭文件，例如：

#include 
#include 
#include

這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發工具的安裝目錄下。我們經常用的庫函數有：memcpy、memcmp、strcmp等。只要代碼中包含了這些函數，就會鏈接庫文件。

每個文件有有多行，例如串口，4個函數。

然后是RAM的，main.o中的變量，放在0x20000000，總共有0x0000000c，類型是Data、RW。串口有兩種變量，data和bss，什么是bss？這兩個名稱，是section name，也就是段的意思。看前面type和Attr， RW Data，放在.data段；RW Zero放在.bss段，RW Zero，其實就是ZI。到底哪些變量是RW，哪些是ZI？

Image Symbol Table

再往上就是Image Symbol Table，就更進一步到每個函數或者變量的信息了。

例如，全局變量TestTmp1，是Data，4字節，分配的位置是0x20000004。

TestTmp3數組放在哪里？放在0X080024E0這個地方，這可是代碼區。因為我們用const 修飾了這個全局變量數組，告訴編譯器，這個數組是不可以改變的，編譯器就將這個數組保存到代碼中了。程序中我們經常會使用一些大數組數據，例如字符點陣，通常有幾K、幾十K大，不可能也沒必要放到RAM區，整個程序運行過程這些數據都不改變，因此通過const修飾，將其存放到代碼區。

const的用處比較多，可以修飾變量，也可以修飾函數。更多用法自行學習。

那局部變量存放在哪里呢？我們找到了 test_tmp3。

沒找到test_tmp1/test_tmp2，為什么呢？在定義時，test_tmp3 增加了 static 定義，意思就是靜態局部變量，功能上，相當于全局變量，定義在函數內，限制了這個全局變量只能在這個函數內使用。那 test_tmp1、test_tmp2 放在哪里呢？?局部變量，在編譯鏈接時，并沒有分配空間，只有在運行時，才從棧分配空間。

u8 TestFun(u32 x)//函數，帶一個參數，并返回一個u8值
{ 
  u8 test_tmp1 = 4;//局部變量，初始化 
  u8 test_tmp2;//局部變量，未初始化 
  static u8 test_tmp3 = 0;//靜態局部變量

上一部分，我們留了一個問題，哪些變量是RW，哪些是ZI？我們看看串口變量的情況，UartBuf3 放在 bss 段，其他變量放在 .data 段。為什么數組就放在bss？bss是英文Block Started by Symbol的簡稱。

到這里，我們可解釋下面幾個概念了：

Code 就是代碼，函數。 RO Data，就是只讀變量，例如用const修飾的數組。 RW Data，就是讀寫變量，例如全局變量跟static修飾的局部變量。 ZI Data，就是系統自動初始化為0的讀寫變量，大部分是數組，放在bss段。 RO Size等于代碼加只讀變量。 RW Size等于讀寫變量（包括自動初始化為0的），這個也就是RAM的大小。 ROM Size，也就是我們編譯之后的目標文件大小，也就是FLASH的大小。但是？為什么會包含RW Data呢？因為所有全局變量都需要一個初始化的值（就算沒有真正初始化，系統也會分配一個初始化空間），例如我們定義一個變量u8 i = 8;這樣的全局變量，8，這個值，就需要保存在FALSH區。

我們看看函數的情況，前面我們不是有一個問題嗎？__main 和 main 是一個函數嗎？查找 main 后發現，main 是 main，放在 0x08000579。

main 是 main，放在0x08000189

__main 到 main 之間發生了什么？還記得分散加載文件中的這句嗎？