本文记录了关于 MCU 内部架构及程序运行原理中 .ld 链接器脚本和 .s 启动文件的学习笔记，对理解 startup_stm32f407xx.s 和 STM32F407x_FLASH.ld 文件的内容与作用具有重要帮助！
存储映射，编译与链接
编译与链接的过程
编译和链接是将程序从高级语言转换为 MCU 可执行程序的关键步骤，主要过程如下：
编译
编译器根据 Makefile 或 CMake 文件中定义的规则，将高级语言源文件（如 .c 或 .cpp 文件）进行语法分析、优化，并生成目标文件（.o 文件）。
编译的同时会生成中间文件，如汇编代码或机器码，具体取决于编译器选项。
链接
链接器根据 LD 链接器脚本（如 STM32F407x_FLASH.ld）将多个目标文件（.o 文件）进行链接。
链接的目的是整合所有模块，解决符号的引用，生成完整的可执行文件（.elf 文件）。
格式转换
生成的 .elf 文件包含调试信息、符号表等。通过工具（如 objcopy），将其转换为 MCU 可执行格式的文件，如 .hex 或 .bin。
编译与链接涉及的文件
以下是编译和链接过程中涉及的主要文件及其作用：
源代码文件
.c 或 .cpp 文件：高级语言源代码文件，包含程序的主要逻辑。
.s 文件：汇编源代码文件，可能包括初始化、硬件相关配置等。
目标文件
.o 文件：编译器生成的中间文件，包含机器码、符号表、重定位信息等，尚未完整链接。
可执行文件
.elf 文件：链接完成后的文件，包含程序的所有信息（代码、数据、符号表、调试信息等）。
下载文件
.hex 或 .bin 文件：从 .elf 文件生成，去除了调试信息，是 MCU 可执行的程序文件。
.hex 文件：文本格式，适合通过串口烧录。
.bin 文件：二进制格式，适合通过程序烧录。
存储映射文件
.map 文件：包含程序的内存分布信息，如函数的入口地址、大小，静态变量的分配情况等。
完整汇编代码
.lst 文件：源代码和汇编代码的对照表，可用于分析程序的具体实现细节。
Makefile 脚本与 LD 链接器脚本
Makefile 脚本
作用：
- 配置编译环境，包括选择编译器、指定编译选项、链接选项、使用的库以及目标芯片的特性。
- 定义源文件和头文件的路径。
- 自动化编译流程，减少重复劳动，提高效率。
关键部分：
- 编译器选择：如 CC=arm-none-eabi-gcc。
- 编译选项：如优化等级（-O2）、目标架构（-mcpu=cortex-m4）。
- 源文件和头文件路径：SRC 和 INCLUDE 变量定义参与编译的源代码和头文件路径。
- 目标生成规则：将 .c 文件编译成 .o，再链接为 .elf 或 .bin。
示例：
LD 链接器脚本
作用：
- 定义程序段（代码段、数据段、堆、栈）在存储器中的分布。
- 指定入口点（如 Reset_Handler），指向程序的启动地址。
- 分配 MCU 的存储资源（如 Flash 和 RAM）。
关键部分：
- MEMORY：定义 MCU 的存储器布局（如 Flash 和 RAM 的起始地址及大小）。
- SECTIONS：定义代码段（text）、数据段（data）、未初始化数据段（bss）、堆和栈的分布规则。
示例：
STM32 常见 SDK 编译工具
1. Keil uVision：图形化界面操作简单，适合初学者。内置编译器和链接器，不需要手动编辑 Makefile 和 LD 文件。通过 Options 菜单设置存储器起始地址和大小等配置。
2. STM32CubeIDE/STM32CubeMX：提供图形化硬件配置工具（CubeMX），简化初始化代码生成。编译使用 GNU 工具链，需要 Makefile 和 LD 链接器脚本。可以由 IDE 自动生成 Makefile 和链接脚本，适合大部分用户。
3. Linux 环境（arm-gcc 工具链）：完全手动配置，灵活性高，适合有经验的开发者。需要编写 Makefile 或使用 CMake 配置编译流程。手动编写或定制 LD 链接器脚本。
程序的段及其存储方式
1. 程序的段分类
按程序文件分段
Code 段：
- 内容：用户的程序代码。
- 存储位置：通常存放在 Flash 中。
- 特性：只读，执行时被加载到存储器。
RO_data 段：
- 内容：用户程序中的只读数据（如常量）。
- 存储位置：通常存放在 Flash 中。
- 特性：只读，不能被修改。
RW_data 段：
- 内容：用户程序中已初始化且非零的全局变量。
- 存储位置：初始化值存储在 Flash 中。程序启动时被复制到 RAM 中。
ZI_data 段：
- 内容：用户程序中已初始化为零或未初始化的全局变量。
- 存储位置：存储在 RAM 中。
- 特性：启动时自动清零。
按程序进程分段
TEXT 段：
- 内容：用户的程序代码（包含函数实现）。
- 存储位置：通常存放在 Flash 中。
- 特性：只读。
- 若常量未单独分段，常量也会包含在此段中。
DATA 段：
- 内容：已初始化的全局变量。
- 存储位置：初始化值存储在 Flash 中，程序启动后被加载到 RAM 中。
- 特性：可读写。
BSS 段：
- 内容：未初始化的全局变量和静态变量。
- 存储位置：RAM。
- 特性：程序启动时自动清零。
HEAP（堆）：
- 内容：动态分配的内存（如通过 malloc 分配的内存）。
- 存储位置：RAM。
- 特性：程序运行时由用户管理（分配和释放）。
STACK（栈）：
- 内容：局部变量、函数调用的参数，以及中断上下文保存的数据。
- 存储位置：RAM。
- 特性：栈的生长方向通常是从高地址向低地址。栈是由硬件和编译器自动管理的，函数调用时会自动分配和释放。
2. 关于压入堆栈的变量
编译器优化的影响：
- 编译器在编译时会优化代码逻辑，尽量减少不必要的栈空间使用。
- 例如，对于较少使用的局部变量，可能直接使用寄存器存储而不压入栈中。
常用的寄存器：
- CPU 执行代码时，主要使用内部通用寄存器（如 R0、R1、R2、R3）。
- 这些寄存器通常用于存储临时数据、函数参数或返回值。
3. 程序的段在编译和链接中的作用
编译阶段：
- 编译器将每个源文件的内容按照段划分，如代码段（.text）、只读数据段（.rodata）、已初始化数据段（.data）、未初始化数据段（.bss）等。
- 各段分别生成目标文件中的段数据。
链接阶段：
- 链接器根据链接脚本（如 .ld 文件），将不同目标文件的各段合并到指定的存储区域。
- 例如：将 .text 段合并并映射到 Flash 的指定区域。将 .data 段的初始化值保存在 Flash 中，并指定程序启动时将其复制到 RAM 中。将 .bss 段分配到 RAM，并确保启动时初始化为零。
总结
- 程序段的作用： 各段的划分和存储方式，决定了程序在存储器中的布局和运行时的行为。
- 常见段和存储位置：
段名称 | 存储内容 | 存储位置 | 特性 |
.text | 程序代码 | Flash | 只读 |
.rodata | 常量 | Flash | 只读 |
.data | 已初始化全局变量 | Flash (初始化) / RAM | 可读写 |
.bss | 未初始化全局变量 | RAM | 可读写，启动时清零 |
堆（Heap） | 动态分配的变量 | RAM | 可读写，由程序管理 |
栈（Stack） | 函数局部变量、参数等 | RAM | 可读写，自动管理 |
.s 启动文件的概念与功能
1. .s 启动文件的概念
- 作用：描述 MCU 从上电复位到运行用户 main() 函数之间的初始化行为。是用汇编语言编写的，与具体的 MCU 和 CPU 架构（如 ARM Cortex-M 系列）密切相关。
- 组成：包含中断向量表、复位处理程序（Reset_Handler）、系统初始化代码等。MCU 的厂商通常提供对应的启动文件模板。
2. .s 启动文件的功能
- 定义 Reset_Handler：
- Reset_Handler 是程序运行的起始点，由链接器脚本指定。
- 在程序启动时执行以下操作：初始化堆栈指针。将 .data 段从 Flash 复制到 RAM。清零 .bss 段。跳转到用户的 main() 函数。
- 定义中断向量表：
- 中断向量表包含异常处理函数的入口地址。
- 通常定义为一个数组，首地址为初始堆栈指针（_estack），后续为各异常和中断处理函数的入口地址。
- 定义默认中断处理函数：
- 定义 Default_Handler，用于处理未定义的中断。
- 通常为一个死循环，避免程序意外跳转。
- 配置汇编环境：
- 设置汇编环境，如定义堆栈和堆的大小。
- 定义弱函数：
- 启动文件中，中断处理函数通常被定义为弱符号，允许用户在应用程序中重写这些函数。
LD 链接器脚本与 .s 启动文件的配合
LD 脚本定义存储器布局：指定中断向量表和程序段（如 .text、.data）的位置。
启动文件初始化程序环境：配置堆栈、初始化全局变量、清零未初始化变量；跳转到 main() 函数，正式运行用户代码。