單片機到底是如何軟硬件結合的

我們通過IO和串口的軟件開發，已經體驗了嵌入式軟件開發。不知道大家有沒有疑惑，為什么軟件能控制硬件？反正當年我學習51的時候，有這個疑惑。今天我們就暫停軟件開發，分析單片機到底是如何軟硬件結合的。并通過一個基本的程序，分析單片機程序的編譯，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，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位系統和64位系統之分，為什么呢？因為32位系統，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。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。
3 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。這兩段區域不連續，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。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

/*!#define?APB1PERIPH_BASE???????PERIPH_BASE
#define?APB2PERIPH_BASE???????(PERIPH_BASE?+?0x00010000)
#define?AHB1PERIPH_BASE???????(PERIPH_BASE?+?0x00020000)
#define?AHB2PERIPH_BASE???????(PERIPH_BASE?+?0x10000000)

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。實質跟我們操作普通變量一樣，就像下面的兩句代碼，區別就是變量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，其他的統稱內存或RAM。寄存器為什么能控制硬件外設呢？因為，粗略的說，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？代碼到底放在哪里？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，芯片就會執行Reset_Handler函數了。（一個函數入口就是一個指針）

;?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?Handler

Reset_Handler函數，先執行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，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。

int?main(void)
{
??GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStructure;

?/*!

??/*?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，嵌入式程序，都是一個死循環，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循環里面執行。中斷呢？對，還有中斷。中斷中斷，就是中斷正常的程序執行流程。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。當發生中斷時，就會執行這個函數。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！

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：

***?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:??00:00:32

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link，鏈接。

最后得到一個編譯結果，9038字節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：
#include 
#include 
#include  ?
這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發工具的安裝目錄下。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。

文件map

再往上，就是文件MAP了，也就是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：

#include?
#include?
#include????

這些就是庫的頭文件。這些頭文件保存在MDK開發工具的安裝目錄下。

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。

文件map

再往上，就是文件MAP了，也就是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

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。看前面type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？

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，分配的位置是0x20000004。

TestTmp3數組放在哪里？放在0X080024E0這個地方，這可是代碼區額。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，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。

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。

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：

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。