51单片机程序执行流程详细分析

单片机是没有上操作系统的东西，在keil中编写的代码都是裸机代码，深入编写裸机代码有助于了解硬件的特性。

若不是硬件特性已定的情况之下的其它流程都是代码作祟。忽然想到来探探51单片机的执行流程。这个念头起源于最初见到每个51程序里面的主函数里面最终都挂一个while(1);语句。为何要加一句while死循环让程序停留在main函数中呢。将while(1);语句去掉有什么影响么?

写一个很简单的程序试一下。

执行以上程序，由P1端口控制的流水灯闪了一下。程序最终进入while(1);里纠缠去了，这个到好解释。

现将while(1);语句屏蔽掉。我还以为程序不能被正确执行了呢，因为退出了main主函数，就像Render需要循环来实现一样(尽管刚刚闪灯的程序不在循环之内，但我还是不由产生了这一错觉)。程序执行的结果是：流水灯不停的闪烁!

看到这个现象后的猜想及动作^-^：

(1) 这块板坏了吧!(在带操作系统如linux字符界面下运行一个不带死循环的C语言文件完毕后就会返回到linux shell程序中)。赶紧换个板再测试一下，显然还是一样的结果。

(2) 单片机中将一直执行main函数中的最后一个(些)语句?(基于带OS平台下运行标准C语言文件的经验，可从来没有想过是main函数被多次调用或多次进入)

(3) 单片机内将C语言指令取出来加载到单片机内，单片机内自动生成一个主程序循环执行C语言中main函数的内容?(虽然很荒唐，还是想了)

(4) 赶快谷歌百度一下单片机的执行流程(虽然在谷歌百度时以“51单片机程序执行流程”搜索，没有搜到相关内容)。换朴实的搜索词：“51单片机 main”。然后就出现跟我一样带有疑问的问题：为什么main函数中不加while(1);语句之后程序会反复执行呢?回答的关键词包括“程序跑飞、看门狗、复位”。

(5) 趁上嵌入式的机会将“51单片机程序执行流程”搬出来并向老师讲述了我所写程序的得到的现象，包括我怎么验证呀等等。

老师的回答：Keil C51程序自动加载了一个名为”STARTUP.A51”的文件，在这个文件里面进行了一系列的初始化操作后进入用户编写的C语言程序入口main函数中，main函数执行完毕后，STARTUP.A51文件后有一句跳转到程序入口main函数的语句，所以会再次进入C语言主程序main函数中执行相关内容。

然后我用keil软件模拟了运行一下以上那一段代码：

程序开始运行就在程序入口main函数的第一条语句之处，Disassembly窗口是c语言代码与汇编代码相对应的窗口，前面是地址，后面的是C语言对应的汇编语句。下面的窗口是相应文件的运行代码的位置，由黄色箭头指向当前正要执行的代码。然后点击单步运行工具条，指导跳出main函数为止，程序跳转到STARTUP.A51中的以下代码位置：

这里是一个循环，根据DJNZ指令的功能：每执行一次DJNZ RO, IDATALOOP就将R0的值减1，若R0的值不为0则就跳到IDATALOOP地址去。很显然这是一个循环，那么RO的值是多少呢，在以下窗口显示：

可见r0的初值为0x7f，这里将要循环0x7f(128)次，具体在这里r0值的含义可查看一下子的。那么在这个循环之后程序又将去哪里呢?跳过这个循环后程序运行的地方如下：

在单步运行一次：

根据Disassembly的内容，此条语句执行了就又要回到main函数中去了，执行一下试试：

是的!

所以，在51单片机中，程序的执行流程就是会不断( 以r0的值作为延迟条件， 具体含义可继续探索 )的进入main函数中执行main函数中的代码。

为什么我们在linux等上面运行不带死循环的C语言代码后程序就会自行终止呢?这是不同的操作流程：

(1) C51单片机不带OS(操作系统)，代码的执行形势在此看来就由STARTUP.A51来安排了，没有一个更大的程序来管理怎么调用main函数。

(2) 像Linux这类的平台是带了OS的，运行一个C语言程序对linux来说就是一个任务，除了运行C语言程序这个任务外还有其它的任务。当运行一个C语言程序完毕时，此次的任务也算是完成了。如在linux shell界面运行一个文件名为“hello.c”功能为输出“hello world!”的C语言程序,过程如下：

编译：gcc hello.c –o hello

运行：./hello

在运行hello可执行文件时，可以当做是shell调用了hello这个可执行程序。在hello运行完毕后，将返回值等返回给shell界面。整个C语言文件的生死全有linux shell程序管理。

归其原因，还是代码规定的机制不一样吧。

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Stm32单片机开发KEIL启动文件汇编语言详解

文章目录

简介

我们在做单片机编程的时候，大部分都是用KEIL自带的启动文件来使程序进入C语言main函数，然后进行C语言编程开发的工作。那么这个启动文件到底做了什么呢？相信朋友们肯定和我一样好奇，想弄明白启动文件到底都干了些什么。那么本文就来介绍下，本文介绍stm32启动文件汇编代码，对应文件名startup_stm32f10x_hd.s。其他Cortex-M3内核的单片机都是大同小异的。

其实启动文件存在的目的就是构建可以供C语言代码运行的工作环境，比如传递参数时需要的栈空间初始化，动态分配内存时的堆初始化，一些初始化为0的变量空间的初始化等等。如果这些没有配置好，无法达到C语言代码运行的工作环境，那么后面的C语言代码执行的结果就是不对的，也会导致总个系统无法工作。所以启动文件很重要，也正是因为我们觉得它重要，所以才想搞懂它。

startup_stm32f10x_hd.s启动文件中的汇编代码主要做了下面5个工作。

1.堆栈空间的定义；

2.初始化中断向量表；

3.复位中断函数（Reset_Handler）{系统初始化，然后进入main函数}；

4.中断函数的弱（WEAK）声明

5.用户栈和堆初始化

再介绍这5个部分的详细代码前，这里已经先总结了启动文件中用到的汇编代码与编译器相关的指令，下面就先来介绍下这些指令。

启动文件汇编代码相关指令

启动文件代码主要由ARM指令代码和与编译器相关的汇编指令组成，下表罗列了启动文件中用到的相关汇编指令。

上面只是对指令做了简要的说明，后面代码用到时我们再一一讲解。我们也可以通过在代码中选中指令，按F1按键调出帮助说明，查看具体指令的相关介绍。

接下来我们就对代码做详细分析吧。

一、堆栈空间的定义

首先这里使用指令EQU定义了一个数值常量符号Stack_Size指明栈大小为0x00000400即1K，这个值可以根据实际需求更改。使用QEU定义常数，类似与C语言的#define定义常数。

然后这里又使用指令AREA定义了一个未初始化，可以读写并要求8字节边界对齐的段，段名,为STACK。这里可以为段选择任何段名。但是，以一个数字开始的名称必须包含在竖杠号内，否则会产生一个缺失段名错误。例如， |1_DataArea|。有些名称是习惯性的名称。例如，|.text| 用于表示由 C 编译程序产生的代码段，或用于以某种方式与 C 库关联的代码段。这里的NOINIT表示数据段是未初始化的或初始化为零。其只包含零初始化的空间保留命令 SPACE 或 DCB, DCD, DCDU, DCQ, DCQU, DCW 或 DCWU 。可以决定在链接时 AREA 是未初始化的，还是零初始化的，后面一条指令是SPACE，所以这里要初始化为0，READWRITE指明段可以读写，ALIGN=3指明段要在2^3=8字节边界上对齐。

再然后使用SPACE定义了一个初始化为0的存储块Stack_Mem，可以理解为存储块是归别到段里的。标号__initial_sp紧挨着SPACE语句放置，表示栈的结束地址，即栈顶地址，栈是由高向低生长的。

同样的堆也是这样定义的，只是这里先是指明了堆开始__heap_base（堆起始地址），再指明堆存储块，最后指明__heap_limit（堆终止地址）。堆是由低向高生长的，跟栈的生长方向相反。堆主要用来动态内存的分配，像malloc()函数申请的内存就在堆上面。这里堆默认大小为0x00000200即512字节，一般的程序中我们很少用到malloc函数，所以这里也就不做过多更改，如果要使用malloc函数，需要将此处堆大小定义的值根据需求改大。

后面的PRESERVE8，指明当前文件的堆栈按照8字节对齐。

二、初始化中断向量表

THUMB指示汇编器将随后的指令解释为16位的Thumb指令。Cortex-M3使用的是Thumb-2指令集，是一种介于Thumb指令集和ARM指令集。ARM指令集全部是32位的，Thumb指令集全部是16位的，Thumb-2指令集是即有部分16位Thumb指令的也有部分32位的ARM指令。

后面定义一个只读数据段RESET，用于保存中断向量表，和三个标号__Vectors（向量表开始）、__Vectors_End（向量表结束）和__Vectors_Size（向量表大小）并使用EXPORT指明其具有全局性。这样可以使在其他文件中访问此文件中的这三标号。

DCD 命令分配一个或多个字的存储器，在四个字节的边界上对齐，并定义存储器的运行时初值。

__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack

这里就指示了段的开始为向量表的开始，标号__Vectors（向量表开始）编译器会根据不同单片机为其指定值，比如stm32单片机就是0x08000000,然后我们定义的RESET段就被分在了0x08000000开始的地址处，其结束位置就是从0x08000000开始依次加4个字节，因为这里每个DCD命令占存储器4个字节，这样一直到__Vectors_End（向量表结束），__Vectors_Size（向量表大小）就是这个RESET段所占大小。比如复位的时候，复位中断来了，就从这个段的第二个存储地址0x08000004处对应的值0x08000144作为复位函数Reset_Handler的地址。

三、复位中断函数

这里先使用AREA定义了一个只读代码段。这里的标号Reset_Handler就代表了复位函数的入口地址（函数名），使用PROC标记函数入口，使用ENDP标记函数结束。

EXPORT Reset_Handler [WEAK]

这里EXPORT声明Reset_Handler是一个全局性的。WEAK表示其他地方没有定义Reset_Handler函数时，就将此处作为Reset_Handler函数的实例。IMPORT用于指示如果在当前汇编代码中未找到其引用，则不导入该名称，很显然，下面有用到__main和SystemInit。

从上那些代码我就就知道，程序上电后，从0x08000000地址处加载SP，上电复位从0x08000004处加载PC，0x08000004处的地址就是复位函数的地址，然后复位函数里面先调用SystemInit函数来初始化系统的各种时钟，再调用__main函数（由编译器实现）。

复位函数中用到的Thumb-2指令介绍如下：

LDR从存储器中加载字到一个寄存器中

BL跳转到由寄存器/标号给出的地址，并把跳转前的下条指令地址保存到LR

BLX跳转到由寄存器给出的地址，并根据寄存器的LSE确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到LR

BX跳转到由寄存器/标号给出的地址，不用返回

四、中断函数的弱（WEAK）声明

这里定义了各种中断函数，使用PROC表示函数开始，ENDP表示函数结束，EXPORT说明函数的全局性，WEAK说明如果其他地方没有定义这个函数，那么就把此处作为函数的实例。这里函数的代码都是B . 。这里的B表示跳转到一个标号，这里跳转到一个'.'，即表示无限循环，所以我们在写C语言程序时如果没有写中断函数，那么对应的中断来了会运行这里到中断函数，即B .那么将无限循环在此。

ALIGN命令通过用零或空指令NOP填充，来使当前位置与一个指定的边界对齐。使用ALIGN来确保数据和代码对齐到适当的边界上。这里使用了默认为字对齐方式。

五、用户栈和堆初始化

栈和堆初始化部分，这里IF、ELSE、ENDIF是条件编译。

先判断是否定义了__MICROLIB ，如果定义了则赋予标号__initial_sp（栈顶地址）、__heap_base（堆起始地址）、__heap_limit（堆结束地址）全局属性，可供外部文件调用，这样我们使用到molloc函数申请的空间就是从这里有关堆的两个标号之间的内存中申请的。如果没有定义（实际的默认情况就是我们没定义__MICROLIB）则通过 IMPORT __use_two_region_memory 表明使用双段模式，即一部分储存区用于栈空间，其他的存储区用于堆空间，堆区空间可以为0，但是，这样就不能调用malloc()内存分配函数。然后使用__user_initial_stackheap标号处的代码用于初始化用户堆栈，这部分由编译器提供的__main来调用。

END 命令指示汇编器，已到达一个源文件的末尾。

关于STM32单片机的Keil启动文件汇编代码就讲解完了，大家有没有看明白呢，欢迎评论交流，如果觉得我这篇文章写到很好到话，就转发出去分享给更多到朋友吧。最后欢迎大家点赞评论转发收藏，跟多好文章欢迎关注我——单片机嵌入式爱好者 。

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