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  • 1 # 用戶2704417161747214

    最近要在Cortex-M3上寫一個簡單的操作系統,打算使用IAR,為了寫好啟動代碼,花了一些時間了解了IAR在main()以前做了些什麼事。

    首先系統復位時,Cortex-M3從代碼區偏移0x0000'0000處獲取棧頂地址,用來初始化MSP寄存器的值。

    接下來從代碼區偏移0x0000'0004獲取第一個指令的跳轉地址。這些地址,是CM3要求放置中斷向量表的地方。

    這裡是一個程序的啟動區的反匯編:

    __vector_table:
    08004000 2600

    08004002 2000

    08004004 7E1D

    08004006 0800

    這個程序是由IAP程序來啟動的,IAP程序獲取0x0800'4000處的MSP值(0x20002600),並設置為MSP的值,即主堆棧最大
    範圍是0x2000'0000~0x2000'25FF。接下來IAP程序獲取0x0800'4004處的Reset_Handler的地址
    (0x0800'7E1D),並跳轉到Reset_Handler()執行。

    IAP在這裡完全是模仿了Cortex-M3的復位序列,也就是說,在沒有IAP的系統上,CM3只能從0x0800'0000獲取MSP,從
    0x0800'0004獲取第一條指令所處地址。而IAP就存在在0x0800'0000這個地址上,IAP的啟動,已經消耗掉了這個復位序列,所以
    IAP要啟動UserApp程序的時候,也是完全模仿Cortex-M3的復位序列的。

    接下來我們看看復位後第一句指令——Reset_Handler()函數裡有什麼。

    若我們使用的是ST公司標準外設庫,那麼已經有了現成的Reset_Handler,不過他是弱定義——PUBWEAK,可以被我們重寫的同名函數覆蓋。一般來說,我們使用的都是ST提供的Reset_Handler,在V3.4版本的庫中,可以在startup_stm32f10x_xx.s中找到這個函數:

    PUBWEAK Reset_Handler
    SECTION .text:CODE:REORDER(2)
    Reset_Handler
    LDR R0, =SystemInit
    BLX R0
    LDR R0, =__iar_program_start
    BX R0

    看來ST沒有做太多的事,他只調用了自家庫提供的SystemInit函數進行系統時鐘、Flash讀取的初始化,並把大權交給了
    __iar_program_start這個IAR提供的“內部函數”了,我們就跟緊這個__iar_program_start跳轉,看看IAR做了什
    麼,上面一段代碼的反匯編如下:

    Reset_Handler:
    __iar_section$$root:
    08007E1C 4801 LDR R0, [PC, #0x4]; LDR R0, =SystemInit
    08007E1E 4780 BLX R0;BLX R0
    08007E20 4801 LDR R0, [PC, #0x4];LDR R0, =__iar_program_start
    08007E22 4700 BX R0;BX R0
    08007E24 6C69

    08007E26 0800

    08007E28 7D8D

    08007E2A 0800

    細心的觀眾會發現地址是0x0800'7E1C,比我們查到的0x0800'7E1D差了1,這是ARM家族的遺留問題,因為ARM處理器的指令至
    少是半字對齊的(16位THUMB指令集 or
    32位ARM指令集),所以PC指針的LSB是常為0的,為了充分利用寄存器,ARM公司給PC的LSB了一個重要的使命,那就是在執行分支跳轉時,PC
    的LSB=1,表示使用THUMB模式,LSB=0,表示使用ARM模式,但在最新的Cortex-M3內核上,只使用了THUMB-2指令集挑大梁,所
    以這一位要常保持1,所以我們查到的地址是0x0800'7E1D(C=1100,D=1101),放心,我們的CM3內核會忽略掉LSB(除非為0,那
    麼會引起一個fault),從而正確跳轉到0x0800'7E1C。

    從0x0800'7E20處的加載指令,我們可以算出__iar_program_start所處的位置,就是當前PC指針
    (0x0800'7E24),再加上4,即0x0800'7E28處的所指向的地址——0x0800'7D8D(0x0800'7D8C),我們跟緊著跳
    轉,__iar_program_start果然在這裡:

    __iar_program_start:
    08007D8C F000F88C BL __low_level_init
    08007D90 2800 CMP R0, #0x0
    08007D92 D001 BEQ __iar_init$$done
    08007D94 F7FFFFDE BL __iar_data_init2

    08007D98 2000 MOVS R0, #0x0
    08007D9A F7FDFC49 BL main

    我們看到IAR提供了__low_level_init這個函數進行了“底層”的初始化,進一步跟蹤,我們可以查到__low_level_init這個函數做了些什麼,不是不是我們想象中的不可告人。

    __low_level_init:
    08007EA8 2001 MOVS R0, #0x1
    08007EAA 4770 BX LR

    __low_level_init出乎想象的簡單,只是往R0寄存器寫入了1,就立即執行"BX
    LR"回到調用處了,接下來,__iar_program_start檢查了R0是否為0,為0,則執行__iar_init$$done,若不是0,就
    執行__iar_data_init2。__iar_init$$done這個函數很簡單,只有2句話,第一句是把R0清零,第二句就直接"BL
    main",跳轉到main()函數了。不過既然__low_level_init已經往R0寫入了1,那麼我們還是得走下遠路——看看
    __iar_data_init2做了些什麼,雖然距離main只有一步之遙,不過這中間隱藏了編譯器的思想,我們得耐心看下去。

    __iar_data_init2:
    08007D54 B510 PUSH {R4,LR}
    08007D56 4804 LDR R0, [PC, #0x10]
    08007D58 4C04 LDR R4, [PC, #0x10]
    08007D5A E002 B 0x8007D62
    08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
    08007D60 4788 BLX R1
    08007D62 42A0 CMP R0, R4
    08007D64 D1FA BNE 0x8007D5C
    08007D66 BD10 POP {R4,PC}
    08007D68 7C78

    08007D6A 0800

    08007D6C 7C9C

    08007D6E 0800

    看來IAR遲遲不執行main()函數,就是為了執行__iar_data_init2,我們來分析分析IAR都幹了些什麼壞事~

    首先壓R4,LR入棧,然後加載0x0800'7C78至R0,0x0800'7C9C至
    R4,馬上跳轉到0x0800'7D62執行R0,R4的比較,結果若是相等,則彈出R4,PC,然後立即進入main()。不過IAR請君入甕是自不會
    那麼快放我們出來的——結果不相等,跳轉到0x0800'7D5C執行,在這裡,把R0指向的地址——0x0800'7C78中的值——
    0x0800'7D71加載到R1,並且R0中的值自加4,更新為0x0800'7C7C,並跳轉到R1指向的地址處執行,這裡是另一個IAR函
    數:__iar_zero_init2:

    __iar_zero_init2:
    08007D70 2300 MOVS R3, #0x0
    08007D72 E005 B 0x8007D80
    08007D74 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
    08007D78 F8413B04 STR R3, [R1], #0x4
    08007D7C 1F12 SUBS R2, R2, #0x4
    08007D7E D1FB BNE 0x8007D78
    08007D80 F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
    08007D84 2A00 CMP R2, #0x0
    08007D86 D1F5 BNE 0x8007D74
    08007D88 4770 BX LR
    08007D8A 0000 MOVS R0, R0

    __iar_data_init2還沒執行完畢,就跳轉到了這個__iar_zero_inti2,且看我們慢慢分析這個幫凶——__iar_zero_inti2做了什麼。

    __iar_zero_inti2將R3寄存器清零,立即跳轉到0x0800'7D80執行'LDR R2, [R0],
    #0x4',這句指令與剛才在__iar_data_init2見到的'LDR R1, [R0],
    #0x4'很類似,都為“後索引”。這回,將R0指向的地址——0x0800'7C7C中的值——0x0000'02F4加載到R2寄存器,然後R0中的
    值自加4,更新為0x0800'7C80。接下來的指令檢查了R2是否為0,顯然這個函數沒那麼簡單想放我我們,R2的值為2F4,我們又被帶到了
    0x0800'7D74處,隨後4條指令做了如下的事情:

    1、將R0指向的地址——0x0800'7C80中的值——0x2000'27D4加載到R1寄存器,然後R0中的值自加4,更新為0x0800'7C84。

    2、將R1指向的地址——0x2000'27D4中的值——改寫為R3寄存器的值——0,然後R1中的值自加4,更新為0x2000'27D8。

    3、R2自減4

    4、檢查R2是否為0,不為0,跳轉到第二條執行。不為,則執行下一條。

    這簡直就是一個循環!——C語言的循環for(r2=0x2F4;r2-=4;r!=0){...},我們看看循環中做了什麼。

    第一條指令把一個地址加載到了R1——0x2000'27D4

    是一個RAM地址,以這個為起點,在循環中,對長度為2F4的RAM空間進行了清零的操作。那為什麼IAR要做這個事情呢?消除什麼記錄麼?用Jlink
    查看這片內存區域,可以發現這片區域是我們定義的全局變量的所在地。也就是說,IAR在每次系統復位後,都會自動將我們定義的全局變量清零0。

    清零完畢後,接下來的指令"LDR R2, [R0],
    #0x4"將R0指向的地址——0x0800'7C84中的值——0加載到R2寄存器,然後R0中的值自加4,更新為0x0800'7C88。隨後檢查
    R2是否為0,這裡R2為0,執行'BX
    LR'返回到__iar_data_init2函數,若是不為0,我們可以發現又會跳轉至“4指令”處進行一個循環清零的操作。

    讀到這裡,我們應該可以猜到IAR的意圖了:__iar_data_init2一開
    始加載了0x0800'7C78至R0,0x0800'7C9C至R4,[R0,R4]就是一段啟動代碼區,在這個區域內保存了要“處理”的所有地址與信
    息——執行的函數地址或者參數,實際上,這片區域也有一個名字,叫做:Region$$Table$$Base。在這個區域內,程序以R0為索引,R4為
    上限,當R0=R4,__iar_data_init2執行完畢,跳轉至main()函數。

    好了,保持我們這個猜想,繼續跟蹤我們的PC指針——我們回到了
    __iar_data_init2函數中,第一件事就是比較R0,R4的值,可惜的是,仍然不相等,我們又被帶到了0x0800'7D5C,至此,我們應
    該能看出這是一個__iar_data_init2的“主循環”,這也驗證了我們對IAR意圖的猜想~

    __iar_data_init2中的“主循環”:

    08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
    08007D60 4788 BLX R1
    08007D62 42A0 CMP R0, R4

    我們可以等價寫為:for(r0=0x0800'7C78,r4=0x0800'7C9C;r0!=r4;r0+=4){...}

    此時,我們的R0為0x0800'7C88,經過“指令1”,R0變為0x0800'7C8C,R1為0x0800'7C55。我們來看看,7C55處,IAR又要執行何種操作。

    __iar_copy_init2:
    08007C54 B418 PUSH {R3,R4}
    08007C56 E009 B 0x8007C6C
    08007C58 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
    08007C5C F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
    08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
    08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
    08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
    08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
    08007C6C F8503B04 LDR R3, [R0], #0x4
    08007C70 2B00 CMP R3, #0x0
    08007C72 D1F1 BNE 0x8007C58
    08007C74 BC12 POP {R1,R4}
    08007C76 4770 BX LR

    這是一個名為__iar_copy_init2的函數,他執行了什麼"copy"操作呢?

    首先壓R3,R4入棧,然後跳轉到0x0800'7C6C,從R0——Region$$Table$$Base中取出參數0x238放入R3,接下
    來的指令大家應該都熟悉了,0x238不為0,所以我們被帶至7C58處,再次從Region$$Table$$Base中取出參數0x0800'7F14放入R1,從Region$$Table$$Base取出參數0x2000'2AC8放入R2處。細心的觀眾應該能察覺這和__iar_zero_init2中取參數的幾乎一樣:先取出大小,隨後取出了地址——只不過這裡多出了1個地址,沒錯這就是"copy",隨後的指令

    08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
    08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
    08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
    08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
    則是另一個“4指令”,指令1將R1指向地址的數據讀到R4,指令2將R2指向地址的數據改寫為R4的數據,指令3、4是完成一個循環。

    說到這裡大家都應該明白了——這就是一個"copy"的操作,從Flash地址0x0800'7F14起,將長度0x238的數據拷貝到RAM地址0x2000'2AC8中。

    通過Jlink,我們可以看到這片區域是我們定義的並且已初始化的全局變量。也就是說,每次復位後,IAR在此處進行全局變量的初始化。

    在這“4指令”執行完畢後,再次從Region$$Table$$Base中取出參數,為0,比較之後條件符合,函數返回__iar_data_init2。

    此時的R0已經為0x0800'7C9C與R4相等,__iar_data_init2終於完成它的使命。

    08007D98 2000 MOVS R0, #0x0
    08007D9A F7FDFC49 BL main

    將R0清零以後,IAR放棄主動權,把PC指針交給了用戶程序的入口——main()。

    但請注意,這裡使用的是BL指令進行main跳轉,也就是說,main函數只是IAR手中的一個子程序,若是main函數執行到了結尾,接下來則會執行exit等IAR提供的“退出”函數。這些函數,等待下回分解~

    總之,IAR在啟動main()函數以前,執行了Reset_Handler,調用
    SystemInit()(ST庫提供)進行時鐘,Flash讀取初始化,並轉入__iar_program_start中執行
    __low_level_init與__iar_data_init2,並在__iar_data_init2中,先後調用
    __iar_zero_init2與__iar_copy_init2對全局變量、全局已初始化變量進行相應的初始化操作。最後,調用main()函數執
    行。

    這就是IAR在啟動main()函數之前做的事情,它並沒有那麼神秘,只要花些時間,就可以跟跟蹤分析出這個過程。

    http://www.cnblogs.com/mssql/archive/2011/01/29/tt146.html

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