[STM32 - 野火] - - - 固件库学习笔记 - - - 十六.在SRAM中调试代码

一、简介

在RAM中调试代码是一种常见的嵌入式开发技术，尤其适用于STM32等微控制器。它的核心思想是将程序代码和数据加载到微控制器的内部RAM（SRAM）中运行，而不是运行在Flash存储器中。这种方法在开发过程中具有显著的优势，但也有一些限制。

1.1 为什么要在RAM中调试代码？

• 1、保护Flash存储器：

  • Flash存储器的寿命有限：Flash存储器的擦写次数是有限的（例如，STM32的Flash通常支持10,000次擦写）。频繁的调试和代码烧录可能会加速Flash的磨损。

  • 减少擦写次数：将代码运行在RAM中可以避免对Flash的频繁擦写，从而延长Flash的使用寿命。

• 2、提高调试效率：

  • 快速修改和测试：在RAM中运行代码时，可以快速修改代码并重新加载，而无需擦除和重新烧录Flash。这大大加快了调试速度。

  • 动态调试：RAM中的代码可以动态修改，适合进行复杂的调试和测试，例如实时修改变量或函数逻辑。

• 3、支持高级调试功能：

  • 断点和单步调试：在RAM中运行代码时，调试器可以更灵活地设置断点和进行单步调试，而不会受到Flash存储器的限制。

  • 动态内存分配：某些调试功能（如动态内存分配和堆栈跟踪）在RAM中更容易实现。

1.2 在RAM中调试代码的优势

• 1、在RAM上调试程序时，下载速度非常快：

  与内部FLASH相比，RAM存储器的写入速度要快得多，且无需擦除过程。因此，程序几乎是秒下，这为需要频繁修改代码的调试过程节省了大量时间，省去了烦人的擦除与写入FLASH的步骤。此外，虽然STM32的内部FLASH可擦除次数通常为1万次，一般的调试过程不太可能达到这个次数导致FLASH失效，但这也确实是一个考虑使用RAM的因素。

• 2、在RAM上调试程序时，不会改写内部FLASH的原有程序。

• 3、对于内部FLASH被锁定的芯片，还可以将解锁程序下载到RAM上，进行解锁操作。

1.3 在RAM中调试代码的缺陷

• 1、存储在RAM中的程序在掉电后会丢失，无法像存储在FLASH中那样持久保存。

• 2、如果使用STM32的内部SRAM存储程序，程序的执行速度与在FLASH上执行时基本相同，但内部SRAM的空间相对较小，可能会限制程序的大小。

• 3、如果使用外部扩展的SRAM存储程序，虽然程序空间可以非常大，但STM32读取外部SRAM的速度比读取内部FLASH慢，这会导致程序的总执行时间增加。因此，在外部SRAM中调试的程序无法完全模拟在内部FLASH中运行时的真实环境。

  • 此外，STM32无法直接从外部SRAM启动，且将应用程序复制到外部SRAM的过程较为复杂（在下载程序之前，需要确保STM32能够正常控制外部SRAM）。因此，实际开发中很少会在STM32的外部SRAM中调试程序。

二、STM32的启动方式

CM-3 内核在离开复位状态后的工作过程如下图：

• 1、从地址 0x00000000 处取出栈指针 MSP 的初始值，该值就是栈顶的地址。

  • 程序局部变量存储在栈空间中，MSP指向栈顶，防止栈溢出。

• 2、从地址 0x00000004 处取出程序指针 PC 的初始值，该值指向复位后应执行的第一条指令。

上述过程由内核自动设置运行环境并执行主体程序，因此它被称为自举过程。

2.1 MSP指针

MSP（Main Stack Pointer，主堆栈指针）是用于管理堆栈的一个重要寄存器，系统复位后，MSP的值会被设置为向量表的第一个值（通常是堆栈的初始地址），用于初始化堆栈。

Stack_Size      EQU     0x00000400			// 定义了堆栈的大小为 0x00000400 字节（1024 字节）
AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3	// 定义了一个名为 STACK 的内存区域，该区域未初始化（NOINIT），可读写（READWRITE），并且对齐到 2^3（即 8 字节）边界。
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size			// 在堆栈区域中分配了 Stack_Size 大小的空间。
__initial_sp								// 表示堆栈指针的初始值将被设置为 Stack_Mem 的地址加上 Stack_Size 的大小，即堆栈空间的顶部。

2.2 PC指针

PC指针（程序计数器）是一个寄存器，用于存储下一条指令的地址。

• 1、系统复位后，首先调用 SystemInit 函数来初始化硬件；

• 2、然后跳转到 __main 函数，由它完成C运行时环境的初始化（如全局变量的初始化）；

• 3、最终，程序会跳转到 main() 函数（由 __main 调用），开始执行用户程序。

PC指向Reset_Handler，跳转到Reset_Handler函数执行初始化时钟、调用main函数，最终进入main函数中执行程序。

2.3 STM32的三种启动方式

虽然内核默认访问的地址是 0x00000000 和 0x00000004，但这些地址实际上可以被重映射到其他地址空间。以 STM32F103 为例，根据芯片引脚 BOOT0 和 BOOT1 的电平状态，这两个地址可以被映射到内部 FLASH、内部 SRAM 或系统存储器。具体的映射配置取决于 BOOT 引脚的不同设置，具体映射关系见表 BOOT 引脚设置对 0 地址的映射。

当内核离开复位状态后，会从映射的地址中获取初始值，分别赋给主堆栈指针（MSP）和程序计数器（PC），然后开始执行指令。通常，我们会根据这些地址所映射到的存储器类型（如内部FLASH、SRAM或系统存储器）来区分不同的自举过程。

2.3.1 内部 FLASH 启动方式

当芯片上电后，若采样到 BOOT0 引脚为低电平，则 0x00000000 和 0x00000004 地址会被映射到内部 FLASH 的首地址 0x08000000 和 0x08000004。因此，内核在离开复位状态后，会从内部 FLASH 的 0x08000000 地址读取内容并赋值给主堆栈指针（MSP），作为栈顶地址；再从内部 FLASH 的 0x08000004 地址读取内容并赋值给程序计数器（PC），作为第一条指令的地址。具备这两个条件后，内核便开始从 PC 指向的地址中读取并执行指令。

2.3.2 内部 SRAM 启动方式

当芯片上电后，若采样到 BOOT0 和 BOOT1 引脚均为高电平，则 0x00000000 和 0x00000004 地址会被映射到内部 SRAM 的首地址 0x20000000 和 0x20000004。此时，内核会从 SRAM 空间获取内容以完成自举过程。

在实际应用中，0x00000000 和 0x00000004 地址存储的内容由启动文件（如 startup_stm32f10x.s）定义。而在链接阶段，分散加载文件（.sct 文件）会决定这些内容的最终存储位置，即它们会被分配到内部 FLASH 还是内部 SRAM。

2.3.3 内部 SRAM 启动方式

当芯片上电后，若采样到 BOOT0 引脚为高电平且 BOOT1 引脚为低电平时，内核将从系统存储器的 0x1FFFF000 和 0x1FFFF004 地址获取主堆栈指针（MSP）和程序计数器（PC）的值进行自举。

系统存储器是一段特殊的存储空间，用户无法直接访问。ST公司在芯片出厂前在系统存储器中固化了一段代码。当使用系统存储器启动时，内核会执行这段代码，该代码运行时会为 ISP（In System Program，系统内编程） 提供支持。具体来说，它会检测通过 USART1/2、CAN2 或 USB 通讯接口传输过来的信息，并根据这些信息更新内部 FLASH 的内容，从而实现产品应用程序的升级。因此，这种启动方式也被称为 ISP 启动方式。

三、内部FLASH的启动过程

在启动代码的中间部分，通过汇编指令 DCD（Define Constant Data），将 __initial_sp 和 Reset_Handler 的地址定义在了代码段的最前面，从而确保它们被放置在指定的地址空间。

在启动文件中，将栈顶地址和首条指令地址（__initial_sp 和 Reset_Handler）放置在代码的最前面，但这并不直接指定它们的绝对地址。这些内容的绝对地址是由链接器根据分散加载文件**（*.sct）**分配的。

上图为 STM32F103 的默认分散加载文件配置。

• LR_IROM1：表示一个加载区域（Load Region），名称为 LR_IROM1。

  • 0x08000000：加载区域的起始地址（这里是内部FLASH的起始地址）；0x00080000：加载区域的大小（这里是512KB）。

• ER_IROM1（内部FLASH）：表示一个执行区域（Execution Region），名称为 ER_IROM1。

  • 0x08000000：执行区域的起始地址（与加载地址相同，表示代码加载后直接在该地址执行）；0x00080000：执行区域的大小（这里是 512KB）。

• 代码段分配：

  *.o (RESET, +First)	// 将所有对象文件中定义的 RESET 段（通常是中断向量表和复位处理程序）放在最前面。
  *(InRoot$$Sections)	// 将所有对象文件中定义的 InRoot 段（通常是启动代码和初始化代码）放在后面。
  .ANY (+RO)	        // 将所有只读（Read-Only）段分配到该区域。
  .ANY (+XO)          // 将所有可执行但不读取的段分配到该区域。
  

  如果把*.o (RESET, +First)放到RW_IRAM1中，那么MSP指针跟PC指针就会指向0x20000000跟0x20000004的地址。

• RW_IRAM1（RAM空间）：表示一个读写区域（Read-Write Region），名称为 RW_IRAM1。

  • 0x20000000：读写区域的起始地址（这里是内部 SRAM 的起始地址）；0x00010000：读写区域的大小（这里是 64KB）。

  • .ANY (+RW +ZI)：将所有读写（Read-Write）和零初始化（Zero-Initialized）的段分配到该区域。

在分散加载文件中，加载区和执行区的首地址都被设置为 0x08000000，这恰好是内部 FLASH 的起始地址。因此，汇编文件中定义的栈顶地址和首条指令地址会被存储到 0x08000000 和 0x08000004 的地址空间中。

类似地，如果修改分散加载文件，将加载区和执行区的首地址设置为内部 SRAM 的起始地址 0x20000000，那么栈顶地址和首条指令地址将会被存储到 0x20000000 和 0x20000004 的地址空间中。

四、将代码修改为RAM自举

• 1、设置一个RAM调试的工程：

• 2、在C/C++中添加宏VECT_TAB_SRAM：
  

此宏在SystemInit函数中。

如果定义了 VECT_TAB_SRAM，则将中断向量表重定向到内部 SRAM 的指定位置；
如果未定义 VECT_TAB_SRAM，则将中断向量表重定向到内部 FLASH 的指定位置。

注意，两个宏之间用","分开。

• 3、打开.sct文件：
  

• 4、修改.sct文件，把程序分配到SRAM：
  

修改前的空间大小。

修改后的空间大小：原本的RAM空间为64K，现分一半用来做FLASH，一半用来做RAM

• 5、修改下载配置，把程序下载到SRAM：
  
  

  • 选择Do not Erase是因为程序下载到RAM中，不需要修改FLASH，勾选Erase Full Chip或Erase Sectors的话会修改FLASH，导致程序下载失败。

  • RAM for Algorithm：烧录算法（Flash Programming Algorithm）预留的RAM空间。

    烧录过程中的临时存储：在将程序烧录到Flash时，烧录算法需要运行，而这个算法需要一定的RAM空间来存储其运行时的数据和代码。
    仅在烧录时使用：一旦烧录完成，这段RAM空间会被释放，可供应用程序（APP代码）使用。

• 6、修改调试器配置，初始化SP和PC指针：

/******************************************************************************/
/* Debug_RAM.ini: Initialization File for Debugging from Internal RAM         */
/******************************************************************************/
/* This file is part of the uVision/ARM development tools.                    */
/* Copyright (c) 2005-2014 Keil Software. All rights reserved.                */
/* This software may only be used under the terms of a valid, current,        */
/* end user licence from KEIL for a compatible version of KEIL software       */
/* development tools. Nothing else gives you the right to use this software.  */
/******************************************************************************/FUNC void Setup (void) {SP = _RDWORD(0x20000000);             // 设置栈指针SP，把0x20000000地址中的内容赋值到SP。PC = _RDWORD(0x20000004);             // 设置程序指针PC，把0x20000000地址中的内容赋值到PC。_WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);      // Setup Vector Table Offset Register
}LOAD %L INCREMENTAL                    // 下载axf文件到RAM
Setup();							   //调用上面定义的setup函数设置运行环境		//g, main							  //跳转到main函数，本示例调试时不需要从main函数执行，注释掉了，程序从启动代码开始执行

这里是强制将SP、PC指针强制指向了0x20000000与0x20000000。

• 7、将工程更改为RAM调试的工程：

调试的时候不能点DOWNLOAD，要点DEBUG。

在DEBUG的时候，想要复位，不能点RST按键，要退出DEBUG后再重新点DEBUG。