漫谈关于AT32F415的启动流程与内存分配_at32的booto

       AT32F415裸机开发时，启动流程一般包含：上电->复位->取字（栈指针、PC的初始值）->复位向量执行->跳转到主函数执行程序。

    1.  至于ARM芯片为何需要复位，这里不展开说明，感兴趣可以去找资料。

    2.系统复位后以及处理器开始执行程序前， 处理器会从 CODE 存储器中读出前两个字。
 从地址0x0000_0000处取出主栈指针（ MSP）的初始值;从地址0x0000_0004处取出程序计数器（ PC）的初始值， 这个值是复位向量， LSB必须是1。然后从这个值所对应的地址处取值。

3.在 AT32F415 中，可以将主闪存存储器、启动程序存储区或片上 SRAM 这三块存储器重映射到
0x0000_0000~0x07FF_FFFF 的 CODE 区，由 BOOT1 和 BOOT0 管脚来设定 CODE 从哪块存储器启动，当{BOOT1， BOOT0}=00/10 时， CODE 从主闪存存储器启动，当{BOOT1， BOOT0}=01 时， CODE从启动程序存储器启动，当{BOOT1， BOOT0}=11 时， CODE 从片上 SRAM 启动。系统复位后或从待机模式退出时， BOOT1 和 BOOT0 管脚值都会被重新锁存。
启动程序存储器中包含内嵌的 Bootloader 程序， 可提供 flash 编程功能， 通过 USART2 或 USB 接口对flash 进行重新编程；也可以提供通信协议栈等额外的固件，可被软件开发人员通过 API 调用。

图1 AT32F415的内存映射与启动位置说明

4.程序在FLASH和SRAM的空间分配

    当使用keil进行单片机的开发时，运行一段程序后，在output输出框会看到如下图的结果。

图2  程序编译结果

其中，Compiler编译器，使用的版本是 V5.06，程序会先经过编译、后链接linking生成可执行的代码，如果要下载单片机的Flash上，还需要转换成二进制（bin）或者十六进制（hex）的文件。具体过程如下：

图3 keil的编译过程

值得注意的是，经过编译后，并不会给变量赋地址（.o文件），只有经过链接器链接后变量才有地址，链接的作用可以看做是便于管理而做的分类，在链接阶段起作用的是分散加载文件，分散加载文件用来描述生成映像文件时所需的信息，即通过分散加载文件指定ARM链接器在链接阶段如何分配Code、RO-data、RW-data、ZI-data的地址，只用使用了分散加载文件后，你程序的变量、函数等数据才会有地址，只有如此做，程序在运行时，才能根据分配的地址去下一步执行程序，分散加载文件后面会详细讲解，这里只初步了解一下就可以。经链接后代码分为Code、RO-data、RW-data、ZI-data四部分。接下来是老生常谈的问题，每个区都是干嘛的呢？

• CODE：代码区，指程序中代码即函数体的大小，注意程序中未使用的函数也会算在CODE中，也即会占用FLASH空间，因此不用的函数最好删除掉，以免占用过多FLASH空间；
• RO-DATA：RO就是只读的意思，程序中只读的变量（也就是带Const的）和已初始化的字符串等；
• RW-DATA：特指已初始化的可读可写全局/静态变量；
• ZI-DATA：未初始化的可读可写全局/静态变量，注意初始化为0也算做未初始化，用到的堆空间和栈空间也会被算入这里面；

　　之前我一直在想的一个问题是我的局部变量存放在哪里，其实是这样的，局部变量只有在程序运行的过程中才会生成，当程序不运行，即将关闭单片机的电源后，是没有局部变量的。所以这就要涉及到程序的两种状态存储态和运行态。

图4 程序的存储态和运行态

存储态：向Flash中下载程序时，其实仅仅下载的是CODE+RO-data+RW-data的内容，意思就是说，在掉电情况下，Flash里面的内存仅包含CODE+RO-data+RW-data这三块。

图5 程序在用户Flash上的结构（存储态）

运行态：当上电后，程序运行时，首先程序会从特定的地址进行启动，启动时会将RW-data的数据加载到SRAM中（启用文件中有一段代码是干这件事的，说的在具体点是分散加载文件会做这件事，在默认情况下，keil中的链接器armlink工具（D:\Keil_v526\ARM\ARMCC\bin\armlink.exe）已经帮你做完了这件事），单片机的 RO区域不需要加载到 SRAM，内核直接从 FLASH 读取指令运行。那ZI-data的数据怎么办呢？对于初始值为0全局变量来说，因为要在Code区要调用该全局变量，所以肯定要对其进行描述，程序运行时就知道了，原来你是初始值为0的全局变量呀，然后分散加载文件就在SRAM中给它分配了一段固定区域的地址；对于局部变量来说， 会自动分配大小，不用我们管。RW-DATA+ZI-DATA就是程序运行总共会占用SRAM的长度，为什么说总共呢？因为当某一个函数运行完后，在这个函数内部的局部变量会被释放掉。

再次强调一下，堆空间与栈空间包含在ZI-data区的范围。

图6 程序的组成

通常，对于栈生长方向向下的单片机，其内存一般模型是：

图7 内存模型

根据AT32F415的内存映射图可知SRAM的开始地址是：0x20000000,而根据图2程序编译结果可以看到RW-data=360 ZI-data=7392.由图7可知栈顶地址 = 0x20000000 +  RW-data + ZI-data = 0x20001e48,下面观察MDK中，地址0x0000_0000处取出主栈指针（ MSP）的初始值：

图8 仿真观察到的内存值

可以看到MSP=0x20001e48，与计算结果吻合。PC=0x0800024d,表示复位中断的入口地址为0x0800024d（BOOT引脚设定程序从FLASH启动）。

下面是一段程序变量的位置：

图9 内存位置示例