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嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit,EMCU),又称单片机,顾名思义,就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成R0M/EPRQM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本。

MCU整体工作流程可总结如下:上电——》主时钟起振——》启动代码——》用户程序(main函数)。对于我们应用开发来说,大部分工作重点是在应用程序编写这块。特别是高级MCU的出现,如ARM系列的STM32、LPC等32位MCU,以及芯片原厂的完善底层代码,启动代码已经固化在芯片内部flash(称为BootLoader),或者已经提供完整的汇编启动源码。因此,启动过程这块,我们比较陌生,但基本的原理还需了解,不排除面试或者使用到实时系统(RTOS)时需要修改启动汇编代码。

MCU上电(复位)时,从固定的地址启动,一般是地址0x00000000,如ARM7;个别特殊的如STM32默认启动地址为0x8000000(flash区启动)。启动过程主要完成两部分工作,一个是硬件执行环境,如中断向量表、寄存器、看门狗等,另一个是软件环境,如C库环境、ZI(未初始化的内存变量)等。

 

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一、硬件环境工作

1.初始时钟

初始化内核时钟,主时钟,各个外设的时钟。

2.关闭看门狗

看门狗是用来监控应用程序的异常跑飞而复位CPU,在初始化阶段,由于没有“喂狗”这一动作,有可能导致CPU不断复位,因此,首先会关闭看门狗,初始化完,再开启。

3.建立中断向量表

中断向量表,中断源的识别标志,可用来形成相应的中断服务程序的入口地址,或者中断服务程序入口地址的偏移量和段基值。CPU利用中断向量表转入中断服务程序处理相关事务。

4.初始化堆栈寄存器

堆栈的作用一个就是保存现场(上下文),如函数调用或者中断发送时,将当前执行地址压栈,调用完成再返回此处执行程序。另一个作用就是保存参数,如临时变量。因此,在启动阶段需初始化堆栈寄存器、堆栈的大小、起始地址等。

5.内存初始化

选择内部或者外部RAM。

二、软件环境工作

1.把RO,RW从它们的加载域复制到它们的运行域中去。

2.初始化(清零)ZI域。

3.初始化堆栈指针

4.初始化C库环境

包括C库所需的内存空间、程序执行所需资源、C库初始化。

三、Cortex M3启动

CortexM3有3种启动方式

1、 BOOT1=1 BOOT0=1 ,中断向量表定位于SRAM区,即起始地址为0x2000000,同时复位后PC指针位于0x2000000处。

2、 BOOT1=x BOOT0=0,中断向量表定位于FLASH区,即起始地址为0x8000000,同时复位后PC指针位于0x8000000处。

3、 BOOT1=0 BOOT0=1 ,中断向量表定位于内置Bootloader区,此时可通过串口下载程序的二进制文件到flash区。

而Cortex-M3内核规定,起始地址必须存放堆顶指针,而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址,这样在Cortex-M3内核复位后,会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量,跳转执行复位中断服务程序。对比ARM7/ARM9内核,Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。即是对于flash启动来说(正常工作也是flash启动),0x8000000地址存放的是栈顶地址__initial_sp,0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset_Handler入口地址(STM32使用32位总线,存储空间为4字节对齐);在编写多段程序时,偏移地址空间需注意,如编写一个BootLoader,从BootLoader到应用程序段的相互跳转。

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