从STM32L4看ARM裸板的启动过程

Sat, 11 Apr 2020 22:40:00 +0800

Fundamental, fundamental, fundamental, …without the fundamental, all those fancy magics won’t work.

有经验的程序员都知道源码需要进行编译、链接、封装，然后才能执行。那你知道如何为一块CPU编写并编译程序吗？知道编译后的程序如何写入MCU、并让CPU加载运行的吗？

前言

早先收到阿里云提供的Developer kit开发板，对他们的RTOS进行体验，就是下面这款：

不得不说，使用aos全家桶运行、烧写和调试代码都非常方便；而且最近看发现还支持最小化定制裁剪，根据自己的需求下载对应的代码，算是咱256G小硬盘的福音了：）

不过今天不是分析阿里的RTOS(AliOS Things)，也不是把玩这块开发板，而是借助其中的MCU来探索下裸板的开发和运行之路。

芯片分析

在开始为一块MCU编程之前，我们要做的第一件事就是先查看这个MCU的文档。例如，如果我们想写一个helloworld程序，那么就至少需要知道：

MCU复位之后从哪启动，这决定了我们的main程序位置。
MCU内存映射，这是为了查看串口的地址空间。

对于我们而言，手上的MCU型号是STM32L496VGTx，因此这些大部分都能在stm32l496ae datasheet中查看到。首先，在datasheet中我们知道STM32L496VGTx中的CPU是ARM Cortex-M4，内存SRAM为320KB，内部含有1MB的Flash。

初始化

根据ARM的文档中关于Cortex-m4 中断向量表的介绍，我们可以看到保存第一条指令地址的地址为0x0004：

其中0x0000保存的是栈的地址。也就是说，CPU复位之后，会首先将0x0000地址的内容加载到栈寄存器sp中，然后将0x0004地址的内容加载并保存到指令寄存器pc中，然后才开始执行第一条指令。

CPU执行每条指令，本质上包含5步：取指、译码、执行、访存、写回。如果不影响状态，多条指令的5步可以交错，这就称为CPU的流水线，现代CPU都包含多级流水线的设计和其他的优化来提升执行速度。……扯远了，说这个主要是强调一点：CPU实际运行的第一条指令的地址为*(addr *)0x0004。而前面两条"指令"，即加载sp和加载pc，实际上是通过CPU硬件的有限状态机实现的。

内存映射

还是在ARM的文档Memory-Model中，可以看到我们的芯片内存映射的结构大致如下：

在32位的寄存器下，有大约4GB的寻址空间。其中ARM只定义了一个大概的范围，地址空间的实际映射其实和厂商的设计有比较大的关系。比如在我们的STM32L4 MCU中，实际的映射如下：

需要注意的是flash地址空间，为0x08000000 ~ 0x08100000，大小为0x10000正好是datasheet中所说的1MB。还有就是APB的地址空间，因为APB总线通常是用来控制外设的，比如我们下面会用到的串口(UART)。

The Code

Talk is cheap，接下来就是实际的编码，我们的目标是在CPU上电启动后马上打印“HelloWorld”，没有其他多余的操作。

程序骨架

在打印HelloWorld之前，我们先确保MCU能够正常启动并运行我们的代码。为此，需要正确编译和链接我们的程序。根据上面ARM初始化向量表的定义，我们先写个汇编文件startup_m4.s：

.syntax unified
.cpu cortex-m4
.fpu softvfp
.thumb

.global g_pfnVectors
.global Default_Handler
.global Reset_Handler

.section .text
Default_Handler:
Infinite_Loop:
    b   Infinite_Loop

Reset_Handler:
    ldr sp, =stack_top
    mov r0, #0
    mov r1, #1
    mov r2, #2
    ror r3, r0, #2
_loop:
    add r3, #1
    B _loop

// ISR vecotor data
.section .isr_vector, "a"
g_pfnVectors:
    .word stack_top
    .word Reset_Handler
    .word Default_Handler // NMI
    .word Default_Handler // HardFault
    .word Default_Handler // MemManage
    .word Default_Handler // BusFault
    .word Default_Handler // UsageFault
    .word 0
    .word 0
    .word 0
    .word 0
	.word Default_Handler // SVC
    // and a lot more ...

Reset_Handler是我们实际运行的第一条指令地址，其地址写在中断向量表的0x04偏移处。对于其他的中断处理程序，我们先简单放一部分到Default_Handler中。

编译和链接

有了代码，还需要链接到对应的地址中，执行这项任务的就是linker脚本。通常我们使用ld时也会调用默认的linker脚本，可以通过ld --verbose命令查看，不过默认的链接脚本无法满足我们的需求，所以根据上面的文档，我们写一个简单的链接脚本m4.ld如下：

ENTRY(Reset_Handler)

MEMORY {
    FLASH (RX) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1024K
    SRAM (RWX) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 320K
}

stack_top = 0x20050000;

SECTIONS {
    .isr_vector : {
        . = ALIGN(8);
        KEEP(*(.isr_vector))
        . = ALIGN(8);
    } > FLASH

    .text : {
        . = ALIGN(8);
        *(.text)
        . = ALIGN(8);
        text_end = .;
    } > FLASH

    .data : { *(.data) } >SRAM AT>FLASH
    .bss : { *(.bss COMMON) } > SRAM
    . = ALIGN(8);
}

编译并链接我们的程序：

arm-none-eabi-as startup_m4.s -g -o startup_m4.o
arm-none-eabi-ld -T m4.ld startup_m4.o -o startup.elf

最后生成的是ELF程序，为了在裸板上运行，需要将无用的信息去掉，只保留纯粹的代码和数据：

arm-none-eabi-objcopy -O binary startup.elf startup.bin

如果想要了解更多链接脚本的语法和含义，可以参考官方的文档——Linker Scripts。

烧写和调试

有了starup.bin之后，就可以使用对应的接口写入Flash，对于我们这块开发板引出的接口是ST-LINK，所以可以直接使用stlink程序来写，前面说了Flash地址为0x08000000：

st-flash --reset write startup.bin 0x08000000

当然，你也可以使用其他工具，比如我最喜欢的OpenOCD。使用openocd需要自己对接口进行适配，其中包含了很多预置的配置，例如对于我们手上的开发板，可以使用以下配置：

source [find interface/stlink.cfg]

transport select hla_swd

source [find target/stm32l4x.cfg]

reset_config srst_only

值得一提的是，openocd的配置使用的是裁剪过的TCL语言，使用前可以花一两个小时先了解下。

OpenOCD中内置了gdbserver，不过如果你用openOCD+gef进行调试的话，很可能会遇到错误。经过查看代码和相关的资料，我发现openocd的gdbserver会将程序状态字寄存器命名为xPSR而不是传统的cpsr，所以我写了个gdb脚本解决这个问题：

set remote hardware-breakpoint-limit 6
set remote hardware-watchpoint-limit 4

# openOCD-gdbserver name $cpsr as $xPSR, make gef known about it
pi current_arch.all_registers = ['$r0', '$r1', '$r2', '$r3', '$r4', '$r5', '$r6', '$r7', '$r8', '$r9', '$r10', '$r11', '$r12', '$sp', '$lr', '$pc', '$xPSR']
pi current_arch.flag_register = '$xPSR'
reset-cache

# ignore stack
gef config context.layout "legend regs code args source memory threads trace extra"

target extend :3333

烧写成功后复位使用JTAG接口进行调试，可以看到进入了我们的程序中：

PS：由于我们的大部分中断都没有处理，所以单步调试触发中断后程序很可能跑飞：）

固件逆向

说句题外话，生成的starup.bin就是我们常说的固件，实际上在逆向分析时从flash读出来的数据也就是这个格式，从0x00地址开始。比如，分析这个固件的时候通常使用的方法是：

r2 -n -a arm -b 16 -m 0x08000000 startup.bin

其他工具也可以用类似的方法将首地址rebase进行分析，但关键是要知道对应芯片的中断向量表定义，这样才能找到真正的入口函数。

HelloWorld

现在有了骨架，可以实现真正的功能了。在操作系统中，我们printf("hello world")本质上是经过系统调用让内核把数据写到标准输出，但是在裸板上可没那么方便，一切都要自己操作。

打印数据到串口的功能通过UART实现，而UART是连接在CPU的APB总线上的。在软件上向UART发送数据实际上是通过向APB总线发送数据到UART硬件对应的接口，发送数据的操作通过将APB总线的读写映射为MMIO实现，简单来说就是通过CPU向内存读写数据实现总线上的读写操作。

在前面的图片中我们能看到APB总线的MMIO映射地址为0x40000000，那么UART在哪个地址呢？可以通过STM32的应用文档中查看；或者更简单地，直接查看STM32的驱动文件stm32l496xx.h：

#define PERIPH_BASE           (0x40000000UL) /*!< Peripheral base address */
...
/*!< Peripheral memory map */
#define APB1PERIPH_BASE        PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x00010000UL)
...
/*!< APB1 peripherals */
#define USART2_BASE           (APB1PERIPH_BASE + 0x4400UL)
#define USART3_BASE           (APB1PERIPH_BASE + 0x4800UL)
#define LPUART1_BASE          (APB1PERIPH_BASE + 0x8000U)
..
/*!< APB2 peripherals */
#define USART1_BASE           (APB2PERIPH_BASE + 0x3800UL)
  
#define USART2              ((USART_TypeDef *) USART2_BASE)
#define USART3              ((USART_TypeDef *) USART3_BASE)
#define UART4               ((USART_TypeDef *) UART4_BASE)
#define UART5               ((USART_TypeDef *) UART5_BASE)
#define LPUART1             ((USART_TypeDef *) LPUART1_BASE)
#define USART1              ((USART_TypeDef *) USART1_BASE)

在stm32l496xx中，APB总线连接了6个串口，起始地址分别是：

USART1, 0x40013800
USART2, 0x40004400
USART3, 0x40004800
….

UART地址空间的定义是：

/**
  * @brief Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
  */

typedef struct
{
  __IO uint32_t CR1;         /*!< USART Control register 1,                 Address offset: 0x00 */
  __IO uint32_t CR2;         /*!< USART Control register 2,                 Address offset: 0x04 */
  __IO uint32_t CR3;         /*!< USART Control register 3,                 Address offset: 0x08 */
  __IO uint32_t BRR;         /*!< USART Baud rate register,                 Address offset: 0x0C */
  __IO uint16_t GTPR;        /*!< USART Guard time and prescaler register,  Address offset: 0x10 */
  uint16_t  RESERVED2;       /*!< Reserved, 0x12                                                 */
  __IO uint32_t RTOR;        /*!< USART Receiver Time Out register,         Address offset: 0x14 */
  __IO uint16_t RQR;         /*!< USART Request register,                   Address offset: 0x18 */
  uint16_t  RESERVED3;       /*!< Reserved, 0x1A                                                 */
  __IO uint32_t ISR;         /*!< USART Interrupt and status register,      Address offset: 0x1C */
  __IO uint32_t ICR;         /*!< USART Interrupt flag Clear register,      Address offset: 0x20 */
  __IO uint16_t RDR;         /*!< USART Receive Data register,              Address offset: 0x24 */
  uint16_t  RESERVED4;       /*!< Reserved, 0x26                                                 */
  __IO uint16_t TDR;         /*!< USART Transmit Data register,             Address offset: 0x28 */
  uint16_t  RESERVED5;       /*!< Reserved, 0x2A                                                 */
} USART_TypeDef;

对应硬件接口：

软件中对UART的读写主要通过对UART本身的寄存器操作实现，例如向串口写一个字节就是：USART->TDR = 0x41，具体的写入内容根据型号有所差异，在STM32F4XX的驱动中相关代码如下：

  /**
    * @brief  Transmits single data through the USARTx peripheral.
    * @param  USARTx: where x can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or
    *         UART peripheral.
    * @param  Data: the data to transmit.
    * @retval None
    */
  void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
  {
    /* Check the parameters */
    assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));
    assert_param(IS_USART_DATA(Data));

    /* Transmit Data */
    USARTx->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);
  }

对于我们STM32L4XX的MCU，在官方的cube中代码实现为stm32l4xx_cube/Drivers/STM32L4xx_HAL_Driver/Src/stm32l4xx_hal_uart.c的HAL_UART_Transmit函数，虽然相对复杂，但本质上也大同小异。

实际上在MCU中printf和puts等函数的实现都是通过逐字节写入UART寄存器实现的。所以我们新建一个c文件并定义最简单的print函数如下：

// hello_m4.c
volatile unsigned int * const UART_TDR = (unsigned int *)0x40008028; // LPUART1->TDR
void my_print(const char *data) {
    while(*data != '\0') {
        *UART_TDR = (unsigned int)(*data);
        data++;
    }
}

void my_entry() {
    my_print("hello world!\n");
    for(;;);
}

然后在之前的Reset_Handler稍加修改，令其跳转到我们的主程序执行：

Reset_Handler:
    ldr sp, =stack_top
    bl my_entry

最后编译并重新链接：

arm-none-eabi-gcc -c -O0 -mcpu=cortex-m4 -g hello_m4.c -o hello_m4.o
arm-none-eabi-ld -T m4.ld hello_m4.o startup_m4.o -o hello_m4.elf

监听串口的数据并重新烧写，一个硬核的HelloWorld就完成了！

$ miniterm /dev/ttyACM0 115200
--- Miniterm on /dev/ttyACM0  115200,8,N,1 ---
--- Quit: Ctrl+] | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
hello world!

如果串口是USART而不是UART，那么可能需要经过一些额外的配置，具体可以参考USART vs UART: Know the difference。

在实际工程中，真正进入用户程序之前需要初始化好各个硬件外设，配置好基本的中断处理程序。这部分代码一般是由MCU vendor提供的，作为Bootloader(Boot ROM)固化。当然我们这里是绕过MCU直接针对CPU编写程序，以展示软硬件之间的微妙联系。

后记

本文主要介绍了CPU上电从硬件到软件的启动过程，其中一个关键概念就是中断向量表，这是所有First Stage Bootloader都需要理解和实现的地方。此外还介绍了如何通过控制串口在裸机上实现了一简单的HelloWorld应用，这实际上是一个简化的外设驱动，即通过总线读写外设寄存器来封装外部硬件的调用，这部分代码在内核中也是相当常见的。

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