IAR中cortex-m4啓動流程分析

環境：windows7旗艦版,IAR V6105(EWARM-EV-WEB-6105) 

ARM芯片：飛思卡爾K60N512VMD100 （cortex-m4核心）

示例程序：飛思卡爾官方的 KINETIS512_SC
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最近分析了一下飛思卡爾官方提供的k60系列demo程序在IAR上的啓動流程，現寫一下筆記，以備以後參考。先看一下K60N512VMD100內部存儲器的分佈情況，飛思卡爾K60N512VMD100有512K的flash和128k的SRAM.其中：



Flash地址空間：
0x00000000--0x00080000,共512k

SRAM地址空間：
SRAM1 0x1FFF0000--0x20000000 64k

SRAM2 0x20000000--0x20010000 64k

總共的SRAM大小是128k



我要在RAM中調試代碼，下面以代碼的執行過程爲順序分析一下啓動流程。



首先看一下源文件中提供的128KB_Ram.icf文件。*.icf文件是IAR中的分散描述文件，相當於ADS中的*.src文件或keil中的*.sct文件或GNU中的*.lds鏈接腳本文件。

這個文件中前面部分是各個變量的定義，關鍵看後面部分：

• ***********
• place at address mem:__ICFEDIT_intvec_start__ { readonly section .intvec };
• place at address mem:__code_start__ { readonly section .noinit };
• place in RAM_region { readonly, block CodeRelocate };
• place in RAM_region { readwrite, block CodeRelocateRam,
• block CSTACK, block HEAP };
• ************

①place at address mem:__ICFEDIT_intvec_start__ { readonly section .intvec }

這段代碼表示要把.intvec代碼段中的只讀部分放在存儲空間（mem，前面已定義的名稱）中__ICFEDIT_intvec_start__ 地址上，前面部分已經定義__ICFEDIT_intvec_start__=0x1fff0000，是SRAM的起始地址。也就是先把向量表放到內存中的最前面。 .intvec 這個段是在vectors.c文件中出現的，

• 
  
• typedef void (*vector_entry)(void);
  
•     #pragma location = ".intvec"
•     const vector_entry __vector_table[] = //@ ".intvec" =
• {
•    VECTOR_000, /* Initial SP */
•    VECTOR_001, /* Initial PC */
•    VECTOR_002,
•    VECTOR_003,
•    ......(中間省略)
•    VECTOR_254,
•    VECTOR_255,
•    CONFIG_1,
•    CONFIG_2,
•    CONFIG_3,
•    CONFIG_4,
• };

從源文件中可以看到這裏定義了一個向量表__vector_table（前面的const 很重要不能省，這樣才能保證向量表是隻讀的），向量表中的每一項都是一個指向函數的指針，這裏總共有256+4=260個指針，所以佔據空間爲260*4=1040=0x410.

所以SRAM空間的前0x410的空間已經被向量表佔據。即佔據了0x1fff0000--0x1fff0410.



②place at address mem:__code_start__ { readonly section .noinit }

這段代碼表示要把 .noinit段中的只讀部分放到地址空間 __code_start__ 開始的地址上，前面有定義 __code_start__=0x1fff0410 ，也就是把 .noinit段放到0x1fff0410開始的地址上。所以在內存中代碼就連續了，先是向量表，接着的是.noinitd 段。

.noinit 段在crt0.s彙編文件中出現：

• 
  SECTION .noinit : CODE
• 
  EXPORT __startup
• __startup
• 
  MOV r0,#0 ; Initialize the GPRs
• 
  MOV r1,#0
• 
  MOV r2,#0
• 
  MOV r3,#0
• 
  MOV r4,#0
• 
  MOV r5,#0
• 
  MOV r6,#0
• 
  MOV r7,#0
• 
  MOV r8,#0
• 
  MOV r9,#0
• 
  MOV r10,#0
• 
  MOV r11,#0
• 
  MOV r12,#0
• 
  CPSIE i ; Unmask interrupts
• 
  import start
• 
  BL start ; call the C code
• __done
• 
  B __done
• 
  END

這段代碼算是芯片復位後執行的第一段代碼（如果沒有其他異常的話）。作爲一個通常的規則，推薦先把通用寄存器（R0-R12）清零。然後是使能中斷，跳轉到start標號（或函數）處繼續執行。



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在start.c文件中找到了start函數：

• /*start.c片段*/
  
• void start(void)
• {
•     /* Disable the watchdog timer */
•     wdog_disable();
•     /* Copy any vector or data sections that need to be in RAM */
•     common_startup();
•     /* Perform processor initialization */
•     sysinit();
•     printf("\n\n");
•     /* Determine the last cause(s) of reset */
•     if (MC_SRSH & MC_SRSH_SW_MASK)
•         printf("Software Reset\n");
•     if (MC_SRSH & MC_SRSH_LOCKUP_MASK)
•         printf("Core Lockup Event Reset\n");
•     if (MC_SRSH & MC_SRSH_JTAG_MASK)
•         printf("JTAG Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_POR_MASK)
•         printf("Power-on Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_PIN_MASK)
•         printf("External Pin Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_COP_MASK)
•         printf("Watchdog(COP) Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_LOC_MASK)
•         printf("Loss of Clock Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_LVD_MASK)
•         printf("Low-voltage Detect Reset\n");
•     if (MC_SRSL & MC_SRSL_WAKEUP_MASK)
•         printf("LLWU Reset\n");
•     /* Determine specific Kinetis device and revision */
•     cpu_identify();
•     /* Jump to main process */
•     main();
•     /* No actions to perform after this so wait forever */
•     while(1);
• }

start函數中，首先執行 wdog_disable()函數來禁用看門狗，然後調用 common_startup()函數初始化RAM(複製向量表、清零.bss段等，爲C語言運行環境做準備)，接着執行sysinit()函數初始化芯片（時鐘、用到的外設等）。下面依次分析這3個函數。

①wdog_disable()

對系統的設定無非是對各個寄存器值的修改。wdog_disable()函數在wdog.c文件中

• void wdog_disable(void)
  
• {
•     /* First unlock the watchdog so that we can write to registers */
•     wdog_unlock();
•     /* Clear the WDOGEN bit to disable the watchdog */
•     WDOG_STCTRLH &= ~WDOG_STCTRLH_WDOGEN_MASK;
• }
• 
  
• void wdog_unlock(void)
• {
•   /* NOTE: DO NOT SINGLE STEP THROUGH THIS */
•   /* There are timing requirements for the execution of the unlock. If
•    * you single step through the code you will cause the CPU to reset.
•    */
•     /* This sequence must execute within 20 clock cycles, so disable
•          * interrupts will keep the code atomic and ensure the timing.
•          */
•         DisableInterrupts;
•     /* Write 0xC520 to the unlock register */
•     WDOG_UNLOCK = 0xC520;
•     /* Followed by 0xD928 to complete the unlock */
•     WDOG_UNLOCK = 0xD928;
•     /* Re-enable interrupts now that we are done */
•            EnableInterrupts;
• }

禁用看門狗流程很簡單：先是解鎖寄存器，然後更改看門狗寄存器裏面的值來禁用看門狗。解鎖看門狗寄存器：向解鎖寄存器裏連續寫入0xC520和0xD928，兩次寫入的時間必須小於20個時鐘週期。所以在解鎖過程中不能單步運行，期間也不能被中斷打斷，解鎖函數是 wdog_unlock()。上面DisableInterrupts和EnableInterrupts已經在arm_cm4.h中定義過：

#define DisableInterrupts asm(" CPSID i");

#define EnableInterrupts asm(" CPSIE i");

解鎖看門狗寄存器後，向看門狗寄存器裏寫入適當的值就可以禁用看門狗了。


也就是把WDOG_STCTRLH 寄存器（地址是0x40052000）的第0位置0.



②common_startup

初始化RAM(複製向量表、清零.bss段等，爲C語言運行環境做準備)。

•      1 /* File: startup.c */
  
•      2 #include "common.h"
•      3 #pragma section = ".data"
•      4 #pragma section = ".data_init"
•      5 #pragma section = ".bss"
•      6 #pragma section = "CodeRelocate"
•      7 #pragma section = "CodeRelocateRam"
•      8 /********************************************************************/
•      9 void
•     10 common_startup(void)
•     11 {
•     12 /* Declare a counter we'll use in all of the copy loops */
•     13 uint32 n;
•     14 /* Declare pointers for various data sections. These pointers
•     15 * are initialized using values pulled in from the linker file
•     16 */
•     17 uint8 * data_ram, * data_rom, * data_rom_end;
•     18 uint8 * bss_start, * bss_end;
•     19 /* Addresses for VECTOR_TABLE and VECTOR_RAM come from the linker file */
•     20 extern uint32 __VECTOR_TABLE[];
•     21 extern uint32 __VECTOR_RAM[];
•     22 /* Copy the vector table to RAM */
•     23 if (__VECTOR_RAM != __VECTOR_TABLE)
•     24 {
•     25 for (n = 0; n < 0x410; n++)
•     26 __VECTOR_RAM[n] = __VECTOR_TABLE[n];
•     27 }
•     28 /* Point the VTOR to the new copy of the vector table */
•     29 write_vtor((uint32)__VECTOR_RAM);
•     30 /* Get the addresses for the .data section (initialized data section) */
•     31 data_ram = __section_begin(".data");
•     32 data_rom = __section_begin(".data_init");
•     33 data_rom_end = __section_end(".data_init");
•     34 n = data_rom_end - data_rom;
•     35 /* Copy initialized data from ROM to RAM */
•     36 while (n--)
•     37 *data_ram++ = *data_rom++;
•     38 /* Get the addresses for the .bss section (zero-initialized data) */
•     39 bss_start = __section_begin(".bss");
•     40 bss_end = __section_end(".bss");
•     41 /* Clear the zero-initialized data section */
•     42 n = bss_end - bss_start;
•     43 while(n--)
•     44 *bss_start++ = 0;
•     45 /* Get addresses for any code sections that need to be copied from ROM to RAM.
•     46 * The IAR tools have a predefined keyword that can be used to mark individual
•     47 * functions for execution from RAM. Add "__ramfunc" before the return type in
•     48 * the function prototype for any routines you need to execute from RAM instead
•     49 * of ROM. ex: __ramfunc void foo(void);
•     50 */
•     51 uint8* code_relocate_ram = __section_begin("CodeRelocateRam");
•     52 uint8* code_relocate = __section_begin("CodeRelocate");
•     53 uint8* code_relocate_end = __section_end("CodeRelocate");
•     54 /* Copy functions from ROM to RAM */
•     55 n = code_relocate_end - code_relocate;
•     56 while (n--)
•     57 *code_relocate_ram++ = *code_relocate++;
•     58 }

在IAR中, #pragma section="NAME" [align] 用來在C語言中指定一個名稱是NAME的段，align指定對齊方式。指定的段可以被段操作符來引用，段操作符包括 __section_begin, __section_end, 和 __section_size.  個人理解.date、.date_init和.bss應該是IAR中保留的段名稱，.date代表數據段中的常量，.date_init代表數據段中已初始化的變量，.bss代表未初始化的變量(zero)。

上面代碼中，先是指定了5個不同名稱的段(前3個是保留段名稱，代表這些段是從這裏開始的)，CodeRelocate和CodeRelocateRam是在*.icf文件中定義的塊(block)：
define block CodeRelocate { section .textrw_init }; define block CodeRelocateRam { section .textrw };
quote:
The _
_ramfunc keyword makes a function execute in RAM. Two code 
sections will be created: one for the RAM execution (.textrw), and one for the ROM initialization (.textrw_init).



外部變量引用
extern uint32 __VECTOR_TABLE[]; extern uint32 __VECTOR_RAM[];
來自IAR的鏈接文件（.icf），在.icf文件中已經定義了變量 __VECTOR_TABLE 和 __VECTOR_RAM 其值都是0x1fff0000."Copy the vector table to RAM"這段代碼進行判斷，如果向量表不在RAM中，則把向量表拷貝到RAM開始的地址上，這裏由於在RAM中調試，代碼是直接下載到RAM中的，所以不用拷貝。

向量表已經在RAM中了，接下來要重定向向量表，以便在發生異常時到RAM中取得異常入口地址（默認情況下是在0x0取）。  write_vtor((uint32)__VECTOR_RAM) 這個函數用來寫向量表偏移寄存器（VTOR，地址0xE000_ED08），這裏寫入的是RAM起始地址0x1FFF0000。注意這個地址是有要求的，並不是所有地址都能作爲向量表起始地址，0x1FFF0000滿足要求（這個要求就是：必須先求出系統中共有多少個向量，再把這個數字向上增大到是 2 的整次冪，而起始地址必須對齊到後者的邊界上。例如，如果一共有 32 箇中斷，則共有 32+16（系統異常）=48個向量，向上增大到 2的整次冪後值爲 64，因此地址地址必須能被 64*4=256整除，從而合法的起始地址可以是：0x0,0x100,0x200 等----參見ARM Contex-M3權威指南）。另外，如果向量表在RAM區(相對於code區)，需把bit[29]置位，這裏0x1FFF0000也滿足要求。

後面的代碼是拷貝數據到RAM中，搭建好C語言運行環境。