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

news 来源：原创 2025/9/17 22:30:22

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：
在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

/******************************************************************************/
/* 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：

在这里插入图片描述

~~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。~~

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编程日记 2025/9/14 20:24:13

基于UnrealEngine(UE5)的太空探索

视频部分可参见：https://www.bilibili.com/video/BV1JWA8eSEVg/ 中国天宫号空间站人造卫星可视化星链卫星可视化小行星分布及运动轨迹可视化月球基地可视化八大行星轨道太阳系宜居带可视化阿波罗8号拍摄的地球升起谷神星模型及轨迹可视化星座可视化十…...

编程日记 2025/9/14 20:25:11

HTML Application(hta)入门教程

简介 HTA是HTML Application的缩写，又称为HTML应用程序。 hta是一个可执行文件，双击可以直接运行 hta与html非常相似，可直接将文件后缀改为.hta来获得HTA格式的文件。支持VBS和JavaScript html的权限被限制在网页浏览器内，只有操…...

编程日记 2025/9/14 20:10:25

IOS UITextField 无法隐藏键盘问题

设置UITextField 键盘按钮返回键为“完成”，即return key 设置done .m代码设置代理 //设置代理协议 UITextFieldDelegate， self.mobileTextField.delegate self; ///点击完成键隐藏键盘 - (BOOL)textFieldShouldReturn:(UITextField *)textField{//取…...

编程日记 2025/9/14 18:48:24

ES6箭头函数：基础与进阶指南

目录引言一、基础篇：核心语法与特性 1.1 语法革新 1.2 this绑定机制二、进阶篇：深度特性解析 2.1 闭包中的this继承 2.2 限制与注意事项三、实践指南：应用场景与陷阱规避 3.1 推荐使用场景 3.2 应避免的场景四、性能考量结语…...

编程日记 2025/9/15 5:04:34

AI赋能编程：PyCharm与DeepSeek的智能开发革命

在这个智能化的时代，人工智能技术正在深刻地改变着我们的工作方式，尤其是在编程领域。无论是初学者还是资深开发者，都希望借助更高效的工具和智能助手来提升生产力、优化代码质量。今天，我们将聚焦于两个强大的工具：Py…...

编程日记 2025/9/15 1:14:57

在Spring Boot中如何使用Freemaker模板引擎

在 Spring Boot 中使用 FreeMarker 模板引擎可以帮助你创建动态的 Web 页面。以下是详细的步骤和示例代码，介绍如何在 Spring Boot 项目里集成和使用 FreeMarker。 1. 添加依赖如果你使用的是 Maven 项目，需要在 pom.xml 文件中添加 FreeMarker 相关依赖。Spring Boot 提供…...

编程日记 2025/9/13 19:45:22