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[分享] 在main之前,IAR都做了啥

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资源大师勋章

发表于 2018-12-28 14:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近要在Cortex-M3上写一个简单的操作系统,打算使用IAR,为了写好启动代码,花了一些时间了解了IAR在main()以前做了些什么事。

首先系统复位时,Cortex-M3从代码区偏移0x0000'0000处获取栈顶地址,用来初始化MSP寄存器的值。

接下来从代码区偏移0x0000'0004获取第一个指令的跳转地址。这些地址,是CM3要求放置中断向量表的地方。

这里是一个程序的启动区的反汇编:

__vector_table:
08004000 2600

08004002 2000

08004004 7E1D

08004006 0800

这个程序是由IAP程序来启动的,IAP程序获取0x0800'4000处的MSP值(0x20002600),并设置为MSP的值,即主堆栈最大
范围是0x2000'0000~0x2000'25FF。接下来IAP程序获取0x0800'4004处的Reset_Handler的地址
(0x0800'7E1D),并跳转到Reset_Handler()执行。

IAP在这里完全是模仿了Cortex-M3的复位序列,也就是说,在没有IAP的系统上,CM3只能从0x0800'0000获取MSP,从
0x0800'0004获取第一条指令所处地址。而IAP就存在在0x0800'0000这个地址上,IAP的启动,已经消耗掉了这个复位序列,所以
IAP要启动UserApp程序的时候,也是完全模仿Cortex-M3的复位序列的。

接下来我们看看复位后第一句指令——Reset_Handler()函数里有什么。

若我们使用的是ST公司标准外设库,那么已经有了现成的Reset_Handler,不过他是弱定义——PUBWEAK,可以被我们重写的同名函数覆盖。一般来说,我们使用的都是ST提供的Reset_Handler,在V3.4版本的库中,可以在startup_stm32f10x_xx.s中找到这个函数:

PUBWEAK Reset_Handler
SECTION .text:CODE:REORDER(2)
Reset_Handler
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__iar_program_start
BX R0

看来ST没有做太多的事,他只调用了自家库提供的SystemInit函数进行系统时钟、Flash读取的初始化,并把大权交给了
__iar_program_start这个IAR提供的“内部函数”了,我们就跟紧这个__iar_program_start跳转,看看IAR做了什
么,上面一段代码的反汇编如下:

Reset_Handler:
__iar_section$$root:
08007E1C 4801 LDR R0, [PC, #0x4]; LDR R0, =SystemInit
08007E1E 4780 BLX R0;BLX R0
08007E20 4801 LDR R0, [PC, #0x4];LDR R0, =__iar_program_start
08007E22 4700 BX R0;BX R0
08007E24 6C69

08007E26 0800

08007E28 7D8D

08007E2A 0800

细心的观众会发现地址是0x0800'7E1C,比我们查到的0x0800'7E1D差了1,这是ARM家族的遗留问题,因为ARM处理器的指令至
少是半字对齐的(16位THUMB指令集 or
32位ARM指令集),所以PC指针的LSB是常为0的,为了充分利用寄存器,ARM公司给PC的LSB了一个重要的使命,那就是在执行分支跳转时,PC
的LSB=1,表示使用THUMB模式,LSB=0,表示使用ARM模式,但在最新的Cortex-M3内核上,只使用了THUMB-2指令集挑大梁,所
以这一位要常保持1,所以我们查到的地址是0x0800'7E1D(C=1100,D=1101),放心,我们的CM3内核会忽略掉LSB(除非为0,那
么会引起一个fault),从而正确跳转到0x0800'7E1C。

从0x0800'7E20处的加载指令,我们可以算出__iar_program_start所处的位置,就是当前PC指针
(0x0800'7E24),再加上4,即0x0800'7E28处的所指向的地址——0x0800'7D8D(0x0800'7D8C),我们跟紧着跳
转,__iar_program_start果然在这里:

__iar_program_start:
08007D8C F000F88C BL __low_level_init
08007D90 2800 CMP R0, #0x0
08007D92 D001 BEQ __iar_init$$done
08007D94 F7FFFFDE BL __iar_data_init2

08007D98 2000 MOVS R0, #0x0
08007D9A F7FDFC49 BL main

我们看到IAR提供了__low_level_init这个函数进行了“底层”的初始化,进一步跟踪,我们可以查到__low_level_init这个函数做了些什么,不是不是我们想象中的不可告人。

__low_level_init:
08007EA8 2001 MOVS R0, #0x1
08007EAA 4770 BX LR

__low_level_init出乎想象的简单,只是往R0寄存器写入了1,就立即执行"BX
LR"回到调用处了,接下来,__iar_program_start检查了R0是否为0,为0,则执行__iar_init$$done,若不是0,就
执行__iar_data_init2。__iar_init$$done这个函数很简单,只有2句话,第一句是把R0清零,第二句就直接"BL
main",跳转到main()函数了。不过既然__low_level_init已经往R0写入了1,那么我们还是得走下远路——看看
__iar_data_init2做了些什么,虽然距离main只有一步之遥,不过这中间隐藏了编译器的思想,我们得耐心看下去。

__iar_data_init2:
08007D54 B510 PUSH {R4,LR}
08007D56 4804 LDR R0, [PC, #0x10]
08007D58 4C04 LDR R4, [PC, #0x10]
08007D5A E002 B 0x8007D62
08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
08007D60 4788 BLX R1
08007D62 42A0 CMP R0, R4
08007D64 D1FA BNE 0x8007D5C
08007D66 BD10 POP {R4,PC}
08007D68 7C78

08007D6A 0800

08007D6C 7C9C

08007D6E 0800

看来IAR迟迟不执行main()函数,就是为了执行__iar_data_init2,我们来分析分析IAR都干了些什么坏事~

首先压R4,LR入栈,然后加载0x0800'7C78至R0,0x0800'7C9C至
R4,马上跳转到0x0800'7D62执行R0,R4的比较,结果若是相等,则弹出R4,PC,然后立即进入main()。不过IAR请君入瓮是自不会
那么快放我们出来的——结果不相等,跳转到0x0800'7D5C执行,在这里,把R0指向的地址——0x0800'7C78中的值——
0x0800'7D71加载到R1,并且R0中的值自加4,更新为0x0800'7C7C,并跳转到R1指向的地址处执行,这里是另一个IAR函
数:__iar_zero_init2:

__iar_zero_init2:
08007D70 2300 MOVS R3, #0x0
08007D72 E005 B 0x8007D80
08007D74 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
08007D78 F8413B04 STR R3, [R1], #0x4
08007D7C 1F12 SUBS R2, R2, #0x4
08007D7E D1FB BNE 0x8007D78
08007D80 F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
08007D84 2A00 CMP R2, #0x0
08007D86 D1F5 BNE 0x8007D74
08007D88 4770 BX LR
08007D8A 0000 MOVS R0, R0

__iar_data_init2还没执行完毕,就跳转到了这个__iar_zero_inti2,且看我们慢慢分析这个帮凶——__iar_zero_inti2做了什么。

__iar_zero_inti2将R3寄存器清零,立即跳转到0x0800'7D80执行'LDR R2, [R0],
#0x4',这句指令与刚才在__iar_data_init2见到的'LDR R1, [R0],
#0x4'很类似,都为“后索引”。这回,将R0指向的地址——0x0800'7C7C中的值——0x0000'02F4加载到R2寄存器,然后R0中的
值自加4,更新为0x0800'7C80。接下来的指令检查了R2是否为0,显然这个函数没那么简单想放我我们,R2的值为2F4,我们又被带到了
0x0800'7D74处,随后4条指令做了如下的事情:

1、将R0指向的地址——0x0800'7C80中的值——0x2000'27D4加载到R1寄存器,然后R0中的值自加4,更新为0x0800'7C84。

2、将R1指向的地址——0x2000'27D4中的值——改写为R3寄存器的值——0,然后R1中的值自加4,更新为0x2000'27D8。

3、R2自减4

4、检查R2是否为0,不为0,跳转到第二条执行。不为,则执行下一条。

这简直就是一个循环!——C语言的循环for(r2=0x2F4;r2-=4;r!=0){...},我们看看循环中做了什么。

第一条指令把一个地址加载到了R1——0x2000'27D4

是一个RAM地址,以这个为起点,在循环中,对长度为2F4的RAM空间进行了清零的操作。那为什么IAR要做这个事情呢?消除什么记录么?用Jlink
查看这片内存区域,可以发现这片区域是我们定义的全局变量的所在地。也就是说,IAR在每次系统复位后,都会自动将我们定义的全局变量清零0。

清零完毕后,接下来的指令"LDR R2, [R0],
#0x4"将R0指向的地址——0x0800'7C84中的值——0加载到R2寄存器,然后R0中的值自加4,更新为0x0800'7C88。随后检查
R2是否为0,这里R2为0,执行'BX
LR'返回到__iar_data_init2函数,若是不为0,我们可以发现又会跳转至“4指令”处进行一个循环清零的操作。

读到这里,我们应该可以猜到IAR的意图了:__iar_data_init2一开
始加载了0x0800'7C78至R0,0x0800'7C9C至R4,[R0,R4]就是一段启动代码区,在这个区域内保存了要“处理”的所有地址与信
息——执行的函数地址或者参数,实际上,这片区域也有一个名字,叫做:Region$$Table$$Base。在这个区域内,程序以R0为索引,R4为
上限,当R0=R4,__iar_data_init2执行完毕,跳转至main()函数。

好了,保持我们这个猜想,继续跟踪我们的PC指针——我们回到了
__iar_data_init2函数中,第一件事就是比较R0,R4的值,可惜的是,仍然不相等,我们又被带到了0x0800'7D5C,至此,我们应
该能看出这是一个__iar_data_init2的“主循环”,这也验证了我们对IAR意图的猜想~

__iar_data_init2中的“主循环”:

08007D5C F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
08007D60 4788 BLX R1
08007D62 42A0 CMP R0, R4

我们可以等价写为:for(r0=0x0800'7C78,r4=0x0800'7C9C;r0!=r4;r0+=4){...}

此时,我们的R0为0x0800'7C88,经过“指令1”,R0变为0x0800'7C8C,R1为0x0800'7C55。我们来看看,7C55处,IAR又要执行何种操作。

__iar_copy_init2:
08007C54 B418 PUSH {R3,R4}
08007C56 E009 B 0x8007C6C
08007C58 F8501B04 LDR R1, [R0], #0x4
08007C5C F8502B04 LDR R2, [R0], #0x4
08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
08007C6C F8503B04 LDR R3, [R0], #0x4
08007C70 2B00 CMP R3, #0x0
08007C72 D1F1 BNE 0x8007C58
08007C74 BC12 POP {R1,R4}
08007C76 4770 BX LR

这是一个名为__iar_copy_init2的函数,他执行了什么"copy"操作呢?

首先压R3,R4入栈,然后跳转到0x0800'7C6C,从R0——Region$$Table$$Base中取出参数0x238放入R3,接下
来的指令大家应该都熟悉了,0x238不为0,所以我们被带至7C58处,再次从Region$$Table$$Base中取出参数0x0800'7F14放入R1,从Region$$Table$$Base取出参数0x2000'2AC8放入R2处。细心的观众应该能察觉这和__iar_zero_init2中取参数的几乎一样:先取出大小,随后取出了地址——只不过这里多出了1个地址,没错这就是"copy",随后的指令

08007C60 F8514B04 LDR R4, [R1], #0x4
08007C64 F8424B04 STR R4, [R2], #0x4
08007C68 1F1B SUBS R3, R3, #0x4
08007C6A D1F9 BNE 0x8007C60
则是另一个“4指令”,指令1将R1指向地址的数据读到R4,指令2将R2指向地址的数据改写为R4的数据,指令3、4是完成一个循环。

说到这里大家都应该明白了——这就是一个"copy"的操作,从Flash地址0x0800'7F14起,将长度0x238的数据拷贝到RAM地址0x2000'2AC8中。

通过Jlink,我们可以看到这片区域是我们定义的并且已初始化的全局变量。也就是说,每次复位后,IAR在此处进行全局变量的初始化。

在这“4指令”执行完毕后,再次从Region$$Table$$Base中取出参数,为0,比较之后条件符合,函数返回__iar_data_init2。

此时的R0已经为0x0800'7C9C与R4相等,__iar_data_init2终于完成它的使命。

08007D98 2000 MOVS R0, #0x0
08007D9A F7FDFC49 BL main

将R0清零以后,IAR放弃主动权,把PC指针交给了用户程序的入口——main()。

但请注意,这里使用的是BL指令进行main跳转,也就是说,main函数只是IAR手中的一个子程序,若是main函数执行到了结尾,接下来则会执行exit等IAR提供的“退出”函数。这些函数,等待下回分解~

总之,IAR在启动main()函数以前,执行了Reset_Handler,调用
SystemInit()(ST库提供)进行时钟,Flash读取初始化,并转入__iar_program_start中执行
__low_level_init与__iar_data_init2,并在__iar_data_init2中,先后调用
__iar_zero_init2与__iar_copy_init2对全局变量、全局已初始化变量进行相应的初始化操作。最后,调用main()函数执
行。

这就是IAR在启动main()函数之前做的事情,它并没有那么神秘,只要花些时间,就可以跟跟踪分析出这个过程。

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一粒金砂(高级)

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发表于 2018-12-28 15:46 | 显示全部楼层
很详细,感谢楼主分享

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