Стартовый файл и скрипт компоновщика

Что делает ядро после сброса

Раздел 3.4 RM0008 (с. 60) описывает старт так: после сброса микроконтроллер защёлкивает выводы BOOT, и при BOOT0 = 0 начало флеш-памяти (0x0800 0000) становится видно ещё и с адреса 0x0000 0000. Затем ядро Cortex-M3 само, без единой команды программы:

1. читает слово по адресу 0x0000 0000 и записывает его в указатель стека MSP;
2. читает слово по адресу 0x0000 0004 — вектор сброса — и переходит по нему.

Младший бит вектора должен быть единицей: так ядро узнаёт, что обработчик — код Thumb (DUI 0552A, разд. 2.3.4), а другого Cortex-M3 и не выполняет. Если вектор чётный, ядро уйдёт в исключение, не выполнив ни одной команды программы. Компилятор и компоновщик ставят этот бит сами, когда в таблицу записан адрес функции, поэтому писать + 1 вручную не нужно.

Отсюда первое требование к проекту: в самом начале флеш-памяти должна лежать таблица, у которой слово 0 — вершина стека, а слово 1 — адрес Reset_Handler.

Таблица векторов: 59 слов

У ядра 16 позиций: начальный MSP, Reset и 14 системных исключений, из них пять зарезервированы. Дальше идут прерывания периферии. Таблица 63 RM0008 (с. 204–207) перечисляет их для всех STM32F10x, кроме connectivity line, но у STM32F103C8 средней плотности (medium-density) последнее — USBWakeup в позиции 42 по адресу 0x0000_00E8; позиции с 43-й (TIM8 и дальше) есть только у кристаллов большой плотности. Итого 16 + 43 = 59 слов, 236 байт. Тот же порядок — в стартовом файле ST startup_stm32f103xb.s, откуда взяты и имена обработчиков: они должны совпадать до буквы, потому что именно по имени ваша функция подменит обработчик по умолчанию.

Таблица описана структурой, а не массивом указателей на функции:

typedef struct {
    uint32_t *initial_sp;       /* 0x000: loaded into MSP on reset */
    handler_t exceptions[15];   /* 0x004..0x03C: Reset .. SysTick */
    handler_t irq[43];          /* 0x040..0x0E8: IRQ 0..42 */
} vector_table_t;

Первое слово — это адрес данных, а не функции, и в массиве handler_t его пришлось бы приводить к указателю на функцию — такое преобразование стандарт C не определяет. В структуре у первого поля свой тип, и приведение не нужно. Все поля по 4 байта, промежутков между ними нет, а _Static_assert(sizeof(vector_table_t) == 59 * 4, …) остановит сборку, если кто-то ошибётся в размере массивов.

Позиции номер 0 в инициализаторе exceptions — зарезервированные слова таблицы. Порядок там такой: Reset, NMI, HardFault, MemManage, BusFault, UsageFault, четыре резерва, SVCall, DebugMonitor, резерв, PendSV, SysTick — последний попадает по адресу 0x0000_003C, как в табл. 63.

Два атрибута держат таблицу на месте. section(".isr_vector") кладёт её в отдельную секцию, которую скрипт компоновщика ставит первой во флеш-память. used не даёт компилятору выбросить переменную, на которую никто не ссылается (руководство GCC, Common Attributes), а от сборщика мусора компоновщика --gc-sections секцию защищает KEEP в скрипте.

Слабые обработчики

#define WEAK __attribute__((weak, alias("Default_Handler")))

void SysTick_Handler(void) WEAK;
void USART1_IRQHandler(void) WEAK;

Каждое имя обработчика объявлено слабым псевдонимом Default_Handler — ровно так руководство GCC описывает пару атрибутов weak и alias. Пока в программе нет своей функции USART1_IRQHandler, в таблицу попадает адрес Default_Handler. Как только она появится в любом другом файле, компоновщик выберет её: обычный (сильный) символ побеждает слабый. Цель псевдонима должна быть определена в той же единице трансляции, поэтому Default_Handler написан в самом startup.c.

Обработчик по умолчанию — бесконечный цикл. Это удобно для отладки: если программа «зависла», остановите её в GDB и посмотрите номер исключения командой p/x $xpsr. Младшие 9 бит регистра — поле ISR_NUMBER (DUI 0552A, разд. 2.1.3): 3 — HardFault, 15 — SysTick, 16 и больше — прерывания периферии, номер IRQ равен числу минус 16. Опечатка USART1_IRQHandle без последней буквы видна сразу: в ISR_NUMBER будет 53, а ваша функция так и не вызвана.

Reset_Handler: .data и .bss

Глобальная переменная с начальным значением (magic = 0xC0FFEE42 из урока 1) живёт в ОЗУ, но её начальное значение после выключения питания должно где-то храниться — во флеш-памяти. Поэтому у секции .data два адреса: VMA — где переменная находится во время работы (ОЗУ), и LMA — где лежит образ начальных значений (флеш-память). Копирует образ на место первый цикл Reset_Handler:

uint32_t *src = _sidata;          /* LMA of .data, in flash */
uint32_t *dst = _sdata;           /* VMA of .data, in RAM */
while ((uintptr_t)dst < (uintptr_t)_edata)
    *dst++ = *src++;

Переменные без начального значения и с нулевым значением попадают в .bss. Хранить нули во флеш-памяти незачем: второй цикл просто обнуляет диапазон от _sbss до _ebss. Символы _sidata, _sdata, _edata, _sbss, _ebss и _estack определяет скрипт компоновщика; в C они объявлены массивами, и программа пользуется только их адресами. Указатели сравниваются через uintptr_t: формально сравнивать указатели на разные объекты стандарт C не разрешает, а целые адреса — можно.

Оба цикла копируют словами по 4 байта, поэтому скрипт выравнивает границы секций на 4. С ключом -Os компилятор вправе заменить такие циклы вызовами memcpy и memset: оптимизация -ftree-loop-distribute-patterns включена на -O2 и выше, а -Os включает оптимизации -O2 (руководство GCC, Optimize Options). Поэтому в уроке 1 указан ключ -nostartfiles, а не -nostdlib: библиотека libc остаётся подключённой, и эти функции из неё найдутся. Сами memcpy и memset ни .data, ни .bss не используют, так что вызывать их до инициализации безопасно.

Чего в нашем Reset_Handler нет по сравнению со стартовым файлом ST:

• SystemInit. В шаблоне ST для F1 она не включает ни PLL, ни кварц — тактирование настроим сами в уроке 4;
• __libc_init_array. Она вызывает конструкторы C++ и функции с атрибутом constructor; в программе на C их нет;
• возврата из main. Возвращаться некуда, поэтому после вызова стоит бесконечный цикл.

Скрипт компоновщика по строкам

MEMORY
{
    FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K
    RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
}
_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);    /* 0x20005000 */

MEMORY описывает две области: 64 КБ флеш-памяти с адреса 0x0800 0000 и 20 КБ ОЗУ с 0x2000 0000 — объёмы из таблицы 2 DS5319, адреса из раздела 3.4 RM0008. Суффикс K означает ×1024. Буквы в скобках — атрибуты: по ним компоновщик выбирает область для секций, которым она не указана явно.

_estack — адрес сразу за последним байтом ОЗУ, 0x20000000 + 20 × 1024 = 0x20005000 (расчёт наш). Стек Cortex-M растёт вниз и перед записью сначала уменьшает указатель, поэтому первое слово ляжет в 0x20004FFC. Почему вершина «на последнем байте», 0x20004FFF, — ошибка, подробно разобрано в статье о скриптах компоновщика.

Конструкция > RAM AT > FLASH задаёт два адреса .data: VMA в ОЗУ и LMA во флеш-памяти — следующий свободный адрес области FLASH, выровненный по требованию секции (руководство GNU ld, Output Section LMA). LOADADDR(.data) возвращает этот LMA, и его получает символ _sidata для цикла копирования.

Последняя строка — проверка:

ASSERT(_ebss + 1K <= _estack, "less than 1 KB of RAM left for the stack")

Если глобальные переменные займут больше 19 КБ, компоновка остановится с этим сообщением. Стеку тогда осталось бы меньше килобайта — переполнение испортило бы .bss молча и в неожиданный момент. Сколько стека нужно на самом деле, компоновщик не знает; как это оценить, рассказано в статье «Переполнение стека на микроконтроллере».

Проверяем, что получилось

arm-none-eabi-objdump -h blink.elf               # sections: size, VMA, LMA
arm-none-eabi-nm -n blink.elf | head             # symbols sorted by address
arm-none-eabi-size -A -x blink.elf               # size of every section
arm-none-eabi-objdump -s -j .isr_vector blink.elf | head -6

В выводе objdump -h у .isr_vector VMA и LMA равны 0x08000000; у .data VMA начинается с 0x20000000, а LMA — сразу за .text во флеш-памяти; у .bss VMA идёт за .data. Последняя команда покажет первые байты таблицы, строка начинается так: 8000000 00500020 f1000008 — 0x20005000 и 0x080000F1 в порядке little-endian. Первое слово — вершина стека, второе — адрес Reset_Handler с единицей в младшем бите (у вас адрес может отличаться, но младший бит будет 1). Сводку занятой памяти печатает уже ключ --print-memory-usage при каждой сборке; как читать map-файл и вывод size, разобрано в статье о скриптах компоновщика.

На STM32F4

Для STM32F411 стартовый файл ST startup_stm32f411xe.s первой командой Reset_Handler загружает SP из _estack, а таблица содержит 16 + 86 = 102 слова. В скрипте компоновщика меняются только длины: FLASH … LENGTH = 512K, RAM … LENGTH = 128K — по адресам из заголовка stm32f411xe.h. Главное добавление в Reset_Handler — включить FPU записью SCB->CPACR |= (0xFu << 20); (поля CP10 и CP11) и барьерами __DSB(); __ISB(); до первой команды с плавающей точкой, если программа собрана с -mfloat-abi=hard; иначе первая же такая команда вызовет исключение UsageFault. Эту последовательность — запись битов 20–23 CPACR, затем DSB и ISB — приводит руководство Arm DUI 0553B по Cortex-M4 (разд. 4.6.6), а доступ при запрещённом сопроцессоре оно описывает как исключение UsageFault с флагом NOCP.

Задание

1. Уберите KEEP из строки .isr_vector в скрипте компоновщика и соберите проект. Что изменится в выводе objdump -h и что произойдёт с платой после прошивки?
2. Добавьте в main.c глобальный массив uint8_t buffer[20000];, а в цикл main — строку buffer[counter % sizeof buffer] = 1u;, и соберите проект. Что сообщит компоновщик и почему? Что будет, если строку в цикле не добавлять?

Что дальше

В уроке 3 включим тактирование порта C в RCC, настроим PC13 регистром CRH и наконец помигаем светодиодом. Термины урока коротко объясняют статьи глоссария «Таблица векторов», «Секция .bss», «Скрипт компоновщика» и «Map-файл». Таблица прерываний STM32F1 с номерами IRQn и обработчиками — в статье «Прерывания STM32».