20. Организация памяти

Каждый раз, когда мы компилируем нашу микропрограмму, используя инструментарий GCC ARM, происходит ряд нетривиальных вещей. Компилятор переводит исходный код Си в ассемблерный код для ARM и подготавливает его для загрузки в используемый микроконтроллер STM32. Каждая микропроцессорная архитектура определяет модель выполнения, которая должна быть «согласована» с моделью выполнения языка программирования Си. Это означает, что во время начальной загрузки выполняется несколько операций, задачей которых является подготовка среды выполнения для нашего приложения: создание стека и кучи, инициализация памяти данных, инициализация таблицы векторов – это лишь некоторые из действий, выполняемых во время запуска. Более того, некоторые микроконтроллеры STM32 предоставляют дополнительные виды памяти или позволяют взаимодействовать с внешней с помощью контроллера FSMC, которая может быть завязана на выполнение особых задач в течение жизненного цикла микропрограммы.

Данная глава призвана пролить свет на те вопросы, которые являются общими для многих разработчиков STM32. Что происходит при сбросе микроконтроллера? Почему функция main()обязательна? И сколько требуется времени до начала выполнения после сброса микроконтроллера? Как хранить переменные во Flash-памяти вместо SRAM? Как использовать CCM-память STM32?

20.1. Модель организации памяти в STM32

В Главе 1 мы проанализировали, как микроконтроллеры STM32 организуют адресное пространство памяти объемом 4 ГБ. Рисунок 4 из этой главы четко показывает, как первые 0,5 ГБ памяти выделяются под область кода. В свою очередь, данная область подразделяется на несколько подобластей. Наиболее важная из них, начинающаяся с адреса 0x0800 0000, предназначена для отображения внутренней Flash-памяти. Вместо этого внутренняя память SRAM начинается с адреса 0x2000 0000 и состоит из нескольких подобластей, предназначенных для определенных задач, которые мы вскоре увидим.

На рисунке 1 показана типовая организации Flash-памяти и памяти SRAM (статическое ОЗУ) в микроконтроллере STM321. В Главе 7 мы узнали, что начальные байты Flash-

памяти выделены под указатель основного стека (Main Stack Pointer, MSP) и таблицу век-

торов2. MSP содержит адрес начала стека. Архитектура Cortex-M дает максимальную свободу в размещении стека в памяти SRAM, а также в других типах внутренней (например, RAM CCM, доступной в некоторых микроконтроллерах STM32) или внешней (подключенной к контроллеру FSMC) памятях. Это объясняет необходимость MSP.

1Важно отметить, что эта организация отражает только одну из возможных конфигураций памяти, и она изменяется в случае использования ОСРВ. Тем не менее, основные концепции остаются прежними, и здесь будет лучшим рассмотреть данную организацию памяти.

2Помните, что, как мы увидим далее, архитектура Cortex-M определяет адрес 0x0000 0000 как ячейку памяти, с которой начинается размещение MSP и таблицы векторов. Это означает, что начальный адрес

Flash-памяти (0x0800 0000) отражен (aliased) на 0x0000 0000.

Flash-память также может использоваться для хранения данных только для чтения (данные RO), также известных как неизменяемые данные (const data), поскольку переменные, объявленные как const, автоматически размещаются в этой памяти. Наконец, Flashпамять содержит ассемблерный код, сгенерированный из исходного кода Си.

Рисунок 1: Типовая организация Flash-памяти и памяти SRAM

Память SRAM также организована в виде нескольких подобластей. Область переменного размера, начинающаяся с конца SRAM и растущая вниз (то есть ее базовый адрес – наибольший адрес в SRAM), выделяется под стек (stack). Это происходит потому, что ядра Cortex-M используют модель стековой памяти, которая называется нисходящим сте-

ком с указателем на занятый элемент (full-descending stack). Базовый указатель стека,

также называемый указателем основного стека (MSP), вычисляется на этапе компиляции и сохраняется по адресу 0x0800 0000 во Flash-памяти. Как только мы вызываем функцию, в стек помещается новый кадр стека (stack frame). Это означает, что указатель на текущий кадр стека (SP) автоматически декрементируется при каждом вызове функции (например, инструкция push ассемблера ARM автоматически декрементирует его).

SRAM также используется для хранения изменяемых данных (variable data), и данная область обычно начинается в начале SRAM (0x2000 0000). В свою очередь, данная область делится между инициализированными и неинициализированными данными. Для понима-

ния разницы между ними, давайте рассмотрим следующий фрагмент кода:

Для каждого файла с исходным кодом (.c), составляющего наше приложение, компилятор сгенерирует соответствующий объектный файл (.o), который содержит секции из таблицы 14. Объектный файл – это тип бинарного файла, который придерживается широко известному стандарту. Существует множество стандартов для бинарных файлов (PE, COFF, ELF и т. д.). GCC ARM использует ELF32 – достаточно популярный открытый стандарт благодаря его использованию в операционных системах на основе Linux и широко поддерживаемый прочими инструментами, такими как OpenOCD и STM32CubeProgrammer. Однако файлы, оканчивающиеся на .o5, представляют собой особый тип объектных файлов. Они также известны как перемещаемые файлы (relocatable files). Это название происходит от того факта, что все адреса в памяти, содержащиеся в этом типе файла, относительные и начинаются с адреса 0x0000 0000. Это также означает, что секция .text будет начинаться с этого адреса, а мы знаем, что он отличается от начального адреса Flash-памяти (0x0800 0000) в микроконтроллере STM326.

Начиная с последовательности перемещаемых файлов (плюс некоторые другие конфигурационные файлы, которые мы увидим через некоторое время), компоновщик будет собирать их содержимое в один общий объектный файл, который будет представлять собой нашу микропрограмму для загрузки в микроконтроллер. В этом процессе, называемом компоновкой (linking), компоновщик переместит (relocate) все относительные адреса в фактические адреса в памяти. Этот тип файла также известен как абсолютный файл (absolute file), потому что все адреса являются абсолютными и специфичными для используемого микроконтроллера STM327.

Как компоновщик знает, где разместить в памяти секции, содержащиеся в абсолютном файле? Именно благодаря скриптам компоновщика, англ. linker scripts, (файлы, оканчивающиеся на .ld) мы можем выстроить содержимое абсолютного файла в соответствии с фактической организацией памяти. Мы уже видели скрипт компоновщика в Главе 4, когда сконфигурировали файл mem.ld для указания правильного начального адреса (origin address) Flash-памяти. CubeMX также встраивает правильный скрипт компоновщика для нашего микроконтроллера в сгенерированный проект Си (он содержится во

4Важно подчеркнуть, что объектный файл содержит гораздо больше секций. Большинство из них связаны с отладкой и содержат соответствующую информацию, такую как исходный код, все символьные имена, содержащиеся в исходном файле (даже те, которые были оптимизированы компилятором) и так далее. Однако для целей данного обсуждения лучше их не учитывать.

5Имейте в виду, что с точки зрения компилятора расширение файла – это просто соглашение.

6Те из вас, кто хочет углубиться в данный вопрос, могут взглянуть на инструмент readelf, представленный в инструментарии GCC ARM.

7Здесь, опять же, более сложная ситуация. Прежде всего, компоновщик может собрать другие части из нескольких внешних статически связанных библиотек (заканчивающихся на .a). Эти библиотеки, также известные как архивные файлы, представляют собой не более чем объединение нескольких перемещаемых файлов. В процессе компоновки только те программные структуры, которые фактически используются в нашем приложении, будут объединены с конечной микропрограммой. Другой важный аспект, который следует отметить, заключается в том, что данный процесс практически одинаков для каждой микропроцессорной платформы (например, x86 и т. д.), и он также называется статической компоновкой (static linking). Более мощные архитектуры сталкиваются с продвинутым процессом компоновки, также известным как динамическая компоновка (dynamic linking), которая откладывает процесс компоновки до момента, когда программа будет загружена как процесс ОС. Это позволяет существенно уменьшить размер исполняемых файлов и обновлять зависимости библиотек без перекомпиляции всего приложения. В библиоте-

ках с динамической компоновкой, также называемых разделяемыми объектами, англ. shared objects (или раз-

деляемыми библиотеками (shared libraries), или DLL в Windows), и в современных операционных системах можно совместно использовать одну и ту же секцию .text этих библиотек между процессами, которые их используют, воспользовавшись mmap() или аналогичным системными вызовами. Это также позволяет сократить потребление SRAM процессами (подумайте о тысячах системных библиотек, которые должны быть «дублированы» в нескольких процессах, работающих на современном ПК).

вложенной папке SW4STM32). Однако довольно сложно изучить содержимое этих скриптов, если мы не освоим несколько концепций, оговоренных ранее. Поэтому лучше всего начать постепенно создавать голый фундамент приложения STM32.

20.2. Действительно минимальное приложение

STM32

Большинство приложений, рассмотренных до сих пор, кажутся действительно простыми. Вместо этого, как с точки зрения организации памяти, так и с точки зрения операций, выполняемых при начальной загрузке микроконтроллера, «под капотом» они уже выполняют множество операций. По этой причине мы собираемся создать действительно базовое приложение.

Первый шаг – создание пустого проекта с использованием Eclipse. Перейдите в меню File → New → C Project. Выберите тип проекта Empty project и выберите инструментарий Cross ARM GCC, как показано на рисунке 3. Завершите работу с мастером проекта.

8 Этот код предназначен для Nucleo-F401RE. Обратитесь к примерам книги для других плат Nucleo.

8/* Определение конечного адреса SRAM как указателя начала стека

9* (специфично для каждого микроконтроллера STM32) */

13/* Адреса системы RCC, применимые к GPIOA

14* (специфично для каждого микроконтроллера STM32) */

18/* Адреса периферийного устройства GPIOA

19* (специфично для каждого микроконтроллера STM32) */

25int main(void);

26void delay(uint32_t count);

28/* Минимальная таблица векторов */

29uint32_t *vector_table[] __attribute__((section(".isr_vector"))) = {

30(uint32_t *)SRAM_END, // указатель начала стека

31(uint32_t *)main // main в качестве Reset_Handler

32};

33

34int main() {

35/* Разрешение подачи тактирования на периферийное устройство GPIOA */

36*RCC_APB1ENR = 0x1;

37/* Конфигурирование PA5 в качестве выхода с подтяжкой к питанию */

38*GPIOA_MODER |= 0x400; // Установка MODER[11:10] = 0x1

39

40while(1) {

41*GPIOA_ODR = 0x20;

42delay(200000);

43*GPIOA_ODR = 0x0;

44delay(200000);

45}

46}

47

48void delay(uint32_t count) {

49while(count--);

50}

Первые 22 строки содержат только макросы, которые определяют наиболее распространенные периферийные адреса STM32. Некоторые из них являются общими, а некоторые специфичными для каждого микроконтроллера. В строке 29 мы определяем таблицу векторов. Будучи «минимальной», она просто содержит две записи: адрес MSP в SRAM (помните, что это первая запись в таблице векторов, и она должна быть размещена по

адресу 0x0800 0000) и указатель на обработчик исключения сброса Reset. Что именно мы делаем?

В Главе 7 мы упоминали, что при сбросе микроконтроллера контроллер NVIC генерирует исключение сброса Reset после нескольких тактовых циклов. Это означает, что его обработчик является реальной точкой входа нашего приложения, и оттуда начинается выполнение микропрограммы. Здесь мы собираемся определить функцию main() в качестве обработчика исключения сброса Reset. Ключевое слово GCC

__attribute__((section(".isr_vector"))) указывает компилятору поместить массив

vector_table в секцию с именем .isr_vector, которая, в свою очередь, будет содержаться в объектном файле main.o. Наконец, процедура main() не содержит ничего, кроме классического приложения мигающего светодиода.

Прежде чем мы сможем скомпилировать микропрограмму, нам нужно задать несколько параметров проекта. Зайдите в Project settings → C/C++ Build → Settings. В параметрах Target Processor выберите ядро Cortex-M, соответствующее вашему микроконтроллеру. Затем перейдите в раздел Cross ARM C Linker → General, в котором поставьте флажок в пункте Do not use standard start files9, а с пункта Remove unused sections

снимите его. Удалите неиспользуемые секции, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Выбранные параметры проекта

9 Если этот параметр не будет отмечен, то будут использоваться процедуры инициализации из libc. Они обычно «менее оптимизированы», поскольку им приходится иметь дело с некоторыми продвинутыми возможностями из libc, связанными с языком программирования C++. Таким образом, обычно процедуры запуска от ST являются специфичными для этой платформы, что позволяет сэкономить много Flashпамяти и сократить время начальной загрузки.

Если вы попытаетесь скомпилировать приложение, то увидите следующее предупреждение в консоли Eclipse:

warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 0000000000008000

Что это означает? GCC (или, вернее, LD) говорит нам, что он не знает, что является процедурой входа нашего приложения (имя точки входа _start() является соглашением в GCC), и он не знает, по какому абсолютному адресу в памяти начать размещение кода. Итак, как мы можем решить это? Нам необходим скрипт компоновщика.

Создайте новый файл с именем ldscript.ld и поместите в него следующий код.

Имя файла: src/ldscript.ld

1 /* организация памяти для STM32F401RE */

2

3MEMORY

4{

5FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K

6SRAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 96K

7}

8

9 ENTRY(main)

10

11/* секции на выходе */

12SECTIONS

13{

14/* код программы во FLASH */

15.text : ALIGN(4)

16{

19KEEP(*(.vector_table))

20} >FLASH

21

22/* Инициализированные глобальные и статические переменные

23(которых у нас нет в данном примере) в SRAM */

24.data :

25{

26*(.data)

27} >SRAM

28}

Давайте рассмотрим содержимое данного файла. Строки [3:7] содержат определение областей Flash-памяти и памяти SRAM. Каждая область может иметь несколько атрибутов (w = доступна для записи, r = читаемая, x = исполняемая). Мы также указываем их начальный адрес и размер (в приведенном выше примере они относятся к микроконтроллеру STM32F401RE). Строка 9 определяет функцию main() как точку входа