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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(tǒng)和64位系統(tǒng)之分，為什么呢？因為32位系統(tǒng)，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(tǒng)。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(qū)域不連續(xù)，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(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)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(zhí)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(zhí)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(zhí)行 Reset_Handler 函數了。（一個函數入口就是一個指針）
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; 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?HandlerReset_Handler 函數，先執(zhí)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(zhí)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(zhí)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(yōu)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(jié)，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。
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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(huán)，嵌入式程序，都是一個死循環(huán)，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(tài)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(huán)里面執(zhí)行。中斷呢？對，還有中斷。中斷中斷，就是中斷正常的程序執(zhí)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(zhí)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(fā)生中斷時，就會執(zhí)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(fā)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！?
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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：
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*** 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?
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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l(wèi)ink，鏈接。
最后得到一個編譯結果，9038字節(jié)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(chuàng)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(tǒng)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：
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#include#include #include ? 這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發(fā)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。 ?
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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：
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#include這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發(fā)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。#include #include 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?？辞懊鎡ype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？
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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(jié)，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(qū)。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(qū)，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(qū)。
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(tài)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。
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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(tài)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：
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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(tǒng)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(tǒng)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(qū)。
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(fā)現，main 是 main，放在 0x08000579。
main 是 main，放在0x08000189
__main 到 main 之間發(fā)生了什么？還記得分散加載文件中的這句嗎？
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*(InRoot$$Sections)__main 就在這個段內。下圖是 __main 的地址，在 0x08000189。__Vectors就是中斷向量，放在最開始。在分散加載文件中，緊跟 RESET 的就是 *(InRoot$$Sections)。
而且，RESET 段大小正好為 0x00000188。
巧合？可以參考PPT文檔《ARM嵌入式軟件開發(fā).ppt》。
這一段代碼都完成什么功能呢？主要完成 ZI 代碼的初始化，也就是將一部分 RAM 初始化為0。其他環(huán)境初始化……
最后
到這里，一個程序，是怎么組成的，程序是如何運行的，基本有一個總體印象了。
編輯：黃飛
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工商網監(jiān)
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