【单片机】再深入理解一下单片机

这是一篇面向单片机新手的文章。

本文提及的单片机以STM32F401CCU6(Arm-cortexM4)为例。

但本文对于单片机外设的描述不多，而Arm-cortexM系列内核都比较相似，因此 Arm-cortexM 系列内核的单片机用户都可以参考本文。

本文脉络大致有以下几点:

  • 用寄存器点个灯
  • 其间引出对启动文件以及ARM的C库的讨论(Keil环境下)
  • 如何学习使用寄存器
  • 考虑使用的开发环境（偏主观）
  • 提出一种任务管理框架供参考
  • 拓展一下链接器相关

0 前言

大多数人都了解STM32吧，stm32是32位的单片机，ST就是ST公司，M指的是Microelectronics的缩写，即微电子，32就是指32位单片机。

除了32位单片机，当然也有8位，16位的单片机。有什么区别呢？一般8位单片机能直接处理的数据也是8位的，其寄存器的位数也是8位。而32位单片机有32位寄存器，可以直接处理8位、16位和32位数据，因此位数大的单片机处理数据的能力往往更强。此外，拥有32位的寄存器代表32位的单片机能够最大寻址到(0xFFFF FFFF)地址处，即其地址空间大小为2^32 Byte = 4 GB，这代表其功能远多于较低位的单片机，相应的，也更复杂。

上面提到了寄存器，寄存器是什么呢？其实寄存器可以从字面意思上理解，它们就是暂存数据的，什么样的数据？二进制数据。多大的数据？一般取决于单片机的位数。

寄存器：我们不处理数据，我们只是数据的搬运工。

从编程的角度上说，某个寄存器的某个位都对应某个功能，比如，使能时钟等等。因此，位操作是寄存器编程最常用的编程手段。

一片单片机内部拥有很多寄存器(其物理形式应该是由数字电路实现的，即具有存储功能的 触发器 组合起来构成了寄存器)。

从软件上来讲，我们可以直接对寄存器进行位操作来实现某个功能，如使能通用GPIO、串口等。

现在，ST公司给我们提供了强大的软件CubeMX，利用它，新手可以通过傻瓜化的配置生成基于HAL库函数的各种外设的基本初始化代码，很大程度的将一些麻烦的底层配置与上层应用隔开了。

在没有库函数的情况下，工程师们要通过查阅官方参考手册，通过自己配置寄存器的方式使能各种功能。实际上，对于stm32或是其他的什么单片机，官方的库函数都是对寄存器配置的封装。因此，寄存器编程可以说是单片机编程的底层逻辑，了解它对于理解整个单片机是非常有用的。

下面，让我们从零开始，先手动构建一个简单的例程来理解寄存器编程。

1 使用寄存器来点个灯

一般的，我们使用Keil来讲解。

1.1 新建工程

在电脑的某个位置建一个新的文件夹，作为工作目录

打开Keil，点击新建工程

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找到你新建的工作目录，然后给你的keil工程起个名字。

img

找到你使用的芯片设备，我这里使用的stm32f401ccu6。

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点击ok后，会弹出这样的窗口，我们自己通过文件构建程序，就不使用keil提供的组件了，叉掉这个窗口就行。

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然后，我们来构建keil工程文件，就是manage project items。

img

然后就是构建你的分组（groups），即keil工程中的文件夹，你可以给你的分组取你喜欢的名字，然后要给构建的分组添加文件。

img

1.2 添加启动文件

现在我们成功建立了一个空的keil工程，接下来，我们需要添加单片机的启动文件。

什么是启动文件，顾名思义，就是单片机上电后要开始执行其中的代码（当然是编译后的代码，或者说机器码指令）。要知道，我们对单片机烧录程序后，程序是存在NOR FLASH芯片里的，上电后，cpu就会读取NOR FLASH里的程序执行。

NOR FLASH，即NOR闪存，与之相对应的有个NAND闪存。两种都叫非易失性存储技术，掉电不遗失数据，发明和商用于上世纪80年代。NOR 闪存通常用于程序存储，NAND 闪存通常用于数据存储。

RISC小科普

RISC(reduced instruction set computer,精简指令集)，是计算机中央处理器（CPU）的一种设计模式，与之对应的是CISC(Complex Instruction Set Computer，复杂指令集)。嵌入式CPU往往是采用RISC指令集。
STM32使用的arm cortex-M系列的内核，这个内核的版权属于arm公司。实际上，cortex-M内核处理器是ARMv7指令集架构，这种架构本质上也是基于RISC的，实际上基本上所有的单片机的内核都是基于RISC指令集的。

RISC使用的是load-store体系结构，load和store是两个指令，负责存储器（NOR FLASH 或 内存）和寄存器之间的数据交互。CPU要将某个地址的数据放入寄存器中，只能够使用load指令；要将寄存器中的值存放到内存中，只能够使用store指令。值得一提，RISC的CPU不能直接处理存储器中的数据，即想要更改位于存储器某个地址的数据，必须将其读取到寄存器进行操作，再将其放回原地址处。

科普结束，再说启动文件。

启动文件使用汇编语言编写，没接触过的童鞋理解起来可能感到有些复杂。

启动文件主要完成以下工作

  • 初始化堆栈指针
  • 初始化中断向量表
  • 定义Reset_Handler子程序
  • 初始化中断服务程序[weak]
  • 用户堆栈初始化

那么为什么，单片机一上电就会执行启动文件中的代码呢？

其实，说是"一上电就执行启动文件的代码"有点笼统，应该是，一上电，发生复位中断后，会执行启动文件里定义的复位中断程序。从代码执行的角度，这是你单片机工程代码的最初执行部分。（不严谨，目前先这样理解）

如果，你的keil里勾选了reset and run的选项，那么单片机一上电就会自动复位，从而触发Reset_Handler中断程序；如果你没有勾选，那么你就需要手动reset一下，才能正常执行程序。

Reset_Handler中断程序

;startup_stm32f401xc.s
; Reset handler
Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main

                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

这是一段汇编子程序，它调用了执行了SystemInit函数（这个需要我们自己定义，或者调用官方写的文件），然后就去调用__main函数。

这玩意和 main 函数不一样，它定义在arm的c库中，具体参考官网的描述。

__main()做了以下的事情：

  • 将非根目录（RO和RW）的执行区域从其加载地址复制到其执行地址。
  • 初始化ZI regions
  • 调用__rt_entry()

总的来讲，__main 做了程序正式开始执行前的一些初始化工作。__main 负责执行代码和数据的复制、解压缩，以及 ZI 数据的零初始化。这里涉及了flash与sram之间的数据交换。

__rt_entry()又做了以下的事情：

  • 设置堆栈和堆
  • 初始化引用的库函数
  • 调用main()
  • 用main()返回的值调用exit()

换句话说，__rt_entry设置了运行环境

（源码没找到，官网说啥就是啥(～﹃～)~zZ）

上面简单讲了一下__main和__rt_entry，不过对于新手来讲是看不太懂的。没关系，这里截取官方的Arm® Compiler User Guide里的图做个形象的总结

img

After Reset the CortexM4 processor is in Thread mode,priority is Privileged, and the Stack is set to Main.

再简单的说，__main被调用会引起main函数的调用，main函数大家应该很熟了。

好的，启动文件是什么我们大概有了一定的理解，下面我们就把stm32f401ccu6需要的启动文件添加到我们的工程里来。

那么，这个文件去哪里找呢？

如果你之前使用过这块单片机，那么它早就存在于你的keil目录下了。一般情况下，在使用一块单片机之前，我们需要使用一个后缀名为pack的DFP(Device Family Pack)文件，以便于让keil能够支持你所用的单片机型号，stm32f4xx的DFP包名为Keil.STM32F4xx_DFP.2.xx.0.pack，它在官网是可以下载的，但是通常国内的网络访问它比较慢（或者访问不了），因此一般这个pack包都是学长学姐们给的，感恩????。

（或许你需要一架梯子????，从此如鸟入青天，鱼入大海，再也不受羁绊了...咳咳）

当时你双击这个文件，它会自动识别你keil软件的下载路径，并下载到指定的位置。如图

img

然后，这个名为STM32F4xx_DFP的文件夹下有我们需要的各种文件，启动文件正在其中。其具体位置如图

有了它的路径，我们在keil的工程里添加它就可以了

img

添加完成后，不要忘记点ok来保存哦。（如果你不想费劲翻找启动文件的目录，可以先把它拷贝到你的工作目录下再添加。）

1.3 写主函数

然后，理所当然的，我们要新建一个main.c文件来定义main函数。

img

当然，不要忘记把它添加到keil工程里来，就像前面添加启动文件一样。

然后我们需要自己定义一个函数SystemInit，不然编译会报错的，我们可以先不写内容，然后在main函数里写程序就可以了，内容如下。

#include "stm32f401xc.h"

void SystemInit(void)
{
    
}
// sw——1：led on
// sw——0：led off
static void LED(uint8_t sw)
{
    //IO port C clock enable
    RCC->AHB1ENR |= 0b1<<2U;
    // set GPIOC13 as General purpose output mode，即通用输出模式
    GPIOC->MODER &= 0b00<<26U ;  
    GPIOC->MODER |= 0b01<<26U;
    //set GPIOC13 as Output push-pull mode，即推挽输出模式
    GPIOC->OTYPER &= 0b0<<13U;
    GPIOC->OTYPER |= 0b0<<13U;
    //set GPIOC13 output speed as Low speed mode ，即最大8Mhz
    GPIOC->OSPEEDR &= 0b00<<26U;
    GPIOC->OSPEEDR |= 0b00<<26U;
    //set GPIOC13 as pull-down mode，即下拉
    GPIOC->PUPDR &= 0b00<<26U;
    GPIOC->PUPDR |= 0b10<<26U;
    //set GPIOC13 as high/low state， 即设置高低电平
    GPIOC->ODR &= 0b0<<13U;
    GPIOC->ODR |= (sw == 0) ? (0b1<<13U) : (0b0<<13U);
}
int main(void)
{
    LED(1);
    while(1);
}

这里的程序使用了官方的寄存器定义头文件，该头文件又包含了其他的各种头文件，我找了找，在不报错的情况下，要添加以下几个头文件，感兴趣的同学可以看看它们的注释，了解一下大概的作用，这几个文件也包含在keil安装目录下，因keil版本的不同，有的文件名的数字编号可能不同，但是目录结构都是一样的，找一找就能找到。

文件名：stm32f401xc.h 
目录：D:\keil\keil\packs\Keil\STM32F4xx_DFP\2.16.0\Drivers\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\Include
简介：CMSIS STM32F401xC Device Peripheral Access Layer Header File.主要定义了寄存器结构体和一些宏定义

文件名：core_cm4.h
目录：D:\keil\keil\packs\ARM\CMSIS\5.9.0\CMSIS\Core\Include
简介：CMSIS Cortex-M4 Core Peripheral Access Layer Header File，与cortex-M4内核有关

文件名：cmsis_version.h
目录：D:\keil\keil\packs\ARM\CMSIS\5.9.0\CMSIS\Core\Include
简介：CMSIS Core(M) Version definitions，内核版本相关

文件名：cmsis_compiler.h
目录：D:\keil\keil\packs\ARM\CMSIS\5.9.0\CMSIS\Core\Include
简介：CMSIS compiler generic header file，编译相关

文件名：cmsis_armclang.h
目录：D:\keil\keil\packs\ARM\CMSIS\5.9.0\CMSIS\Core\Include
简介：CMSIS compiler armclang (Arm Compiler 6) header file，编译器相关

文件名：mpu_armv7.h
目录：D:\keil\keil\packs\ARM\CMSIS\5.9.0\CMSIS\Core\Include
简介：CMSIS MPU API for Armv7-M MPU，内存保护单元接口

找到这几个文件，最好复制下来黏贴到你的工作文件夹，接下来方便添加，keil的头文件的添加方式与.c源文件的添加方式不太一样，方法如下，添加头文件所在的文件夹即可。

img

如果你发现，你的keil文件上有个金色的钥匙????标记，这是因为该文件被设置为只读，如果你想要更改该文件，需要更改文件的属性，将只读的对号取消掉即可。

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1.4 一个有趣的bug

最后，我们勾选keil的MicroLIB（因为不勾选似乎进不了main函数），我也不太清楚这个的原因，欢迎一起讨论，或者请大佬教我????。

img

附上不勾选时的调试图，调试直接卡在这里

img

好吧，这个问题还是我来回答吧。首先感谢这位大佬写的记录

首先，我们要知道为什么使用MicroLIB没问题，不使用MicroLIB就有问题

Arm的运行库一般可以使用两种，如果不勾选MicroLIB，那么就默认使用StandardLIB，官方的描述看这里。

MicroLIB和StandardLIB在初始阶段的__main和__rt_entry有些许不同。

在不勾选MicroLIB时，即使用StandardLIB时，如下图

img

一般工程是默认启用FPH(Floating Point Hardware)的，这是CortexM具有的浮点数加速单元，

The Cortex-M4 / M7 / M33 / M35P / M55 cores have an FPU silicon option

这在StandardLIB中具体体现在以下代码

                 __rt_lib_init_fp_1:
0x080001EE F000F8BE  BL.W          0x0800036E _fp_init
;....
0x0800036E EEF10A10  VMRS          r0,FPSCR

VMRS 表示将FPSCR(floating-point status and control register)寄存器的值赋给r0寄存器，这个操作是需要FPU协处理器的权限的，然而此时，我配置的工程没有配置这个权限！因此会发生错误，进入HardFault_Handler硬件错误中断。所以也就走不到main函数那一步了。

那么，如何解决这个问题呢？

  • 第一点，可以勾选MicroLIB库，不使用默认的StandardLIB，上面说到MicroLIB和StandardLIB在__rt_entry的实现方式是有区别的，在MicroLIB里__rt_entry是不需要对FPSCR做操作的，那它对于FPH是如何操作的呢，这个我也不太清楚，可以肯定的是，在__main和__rt_entry中，它没有对FPSCR寄存器的操作。
  • 第二点，我们依然不勾选MicroLIB，直接将FPH(Floating Point Hardware)设置为Not Used，这样__rt_entry就不会对FPSCR做操作了，程序也就不会出错。
  • 第三点，也是最正确的方式，一般情况下，我们难免需要使用浮点数的，因此FPH是需要的，同时我又不太想使用MicroLIB，那么我就需要对FPU相关寄存器做操作，即使能FPU协处理器的权限。这时可以参考官方代码如下：
//system_stm32f4xx.c
/**
  * @brief  Setup the microcontroller system
  *         Initialize the FPU setting, vector table location and External memory 
  *         configuration.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SystemInit(void)
{
  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
  #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
  #endif

#if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
  SystemInit_ExtMemCtl(); 
#endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */

  /* Configure the Vector Table location -------------------------------------*/
#if defined(USER_VECT_TAB_ADDRESS)
  SCB->VTOR = VECT_TAB_BASE_ADDRESS | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#endif /* USER_VECT_TAB_ADDRESS */
}

之前我们写了一个空的 SystemInit 让 Reset_Handler 调用，其实是有一定的失误的，看官方的SystemInit的写法，就是考虑到了FPH的使用，具体就是使能SCB->CPACR寄存器。因此再调用__main，__rt_entry，对FPSCR就有操作权限了✔。

因此，既然官方都写好了，我们就把system_stm32f4xx.c文件添加到我们的工程目录即可，这样也就不必自己写 SystemInit 了(虽然你把它复制黏贴也可以)，仔细看一下，官方函数还可以选择设置中断向量表的位置，虽然我们没有用就是了。

总结一下，所遇的bug是由于 SystemInit 里没有对FPU的设置，导致arm的运行库StandardLIB在运行__rt_entry的某操作时没有权限，发生了硬件错误❌。

有关更多MicroLIB和StandardLIB的信息，可以参见这篇博文，里面的图很形象。

1.5 编译下载

如果操作正确的话，一般编译是没有问题的，然后下载即可

img

1.6 效果

img

2 学会看官方参考手册

目前的大多数主流单片机都有很多教程，但是最好最准确的教程往往是官方的手册。

这些手册就在DFP包的Document文件夹里，如图

img

一般它们的文件名都是一些编号，建议将其改成你能认识的名字。当然，你也可以在ST的官网找到它们。

我们想要了解怎么使用寄存器，就要看官方的参考手册，想要了解该单片机的硬件数据，就看官方的数据手册，想要了解官方改过哪些bug，就看官方的勘误手册。当然，它们都是英文的。除此以外，ST官网也可以找到更多的手册，例如AN开头的应用笔记（有中文版），大家可以去自行探索。

例如，还记得我上面写的点灯程序吗，我们要首先使能GPIOC的时钟，在参考手册中是是这样描述的。

【单片机】再深入理解一下单片机-小白菜博客
img

类似的，也有GPIO的各种寄存器描述，大家可以结合代码，自行去了解一下。

3 实际编程

3.1 使用库函数

作为较为底层的编程方式，寄存器编程是一种很好的学习手段，但是对于不了解的新手，实际项目中使用寄存器配置外设往往bug奇多，既然官方封装好了库，那我们为什么不用呢。因此，现阶段，在实际应用中，我们一般使用封装好的库函数（以stm32为例，官方库函数有HAL库 or LL库 or 标准库）和寄存器编程相结合的方式编程。

ps:标准库正在被 HAL 库和 LL 库取代，作为一个学习技术的人，我当然推荐学习使用前景更好的库。

3.2 开发环境

（主观成分居多，仅供参考）

开发环境包括了编辑器、编译器等开发工程代码的一系列工具。

Keil MDK 是入门arm系单片机最简单的集成开发环境IDE(Integrated Development Environment)，也是arm的官方IDE，目前已到5.37版本，内部集成了Arm C/C++ Complier编译器，可以方便地下载调试程序，并且综合了各种芯片，功能非常强大。缺点是其编辑界面十分地复古，换句话说就是有些丑。

因此可以使用自己喜欢的代码编辑器，推荐VScode。这也是我一直在用的。当然，这依然有些不优雅，因为这样就需要同时打开VScode和Keil，并且调试时需要来回切换界面。

如果想要更优雅的开发，选择是有很多的，针对STM32系列的开发方式网上的方法最多。

比较不错的有Clion开发，Clion是一种C/C++开发环境（软件大小比Visual Studio要小），依赖CMake。它也有丰富的插件支持各样的功能，其优秀的代码补全机制非常香。利用Clion开发STM32主要是依赖STM32CubeMX生成SW4STM32环境(该环境是跨平台的)，其中有基础的底层配置，其编译需要依赖Arm gcc编译器，下载需要使用OpenOCD。如果你对优雅的开发环境有需求的话，可以使用Clion。个人体验了一下确实不错。

PS:新下了最新版的STM32CubeMX(6.6.1)，竟然没有生成SW4STM32的选项！ST啊，路还是走窄了????。什么？你说还有STM32CubeIDE，那是什么????。

另外，也有使用VScode里的EIDE插件做开发的，依赖的也是Arm gcc编译器。感兴趣也可以去使用。

我最近听说了一个插件，叫PlatformIO IDE。Clion和VScode都可以安装。这个插件集成了不少芯片，ST，TI的一些芯片都有，可以说是很强大了，感兴趣的可以了解下。

4 利用定时器管理任务

现在讨论不移植RTOS（实时操作系统）的情况下，如何更高效地在裸机上进行编程。

一般情况下，单片机编程都是顺序编程+中断的方式，因此，我们要在一个while死循环中编写程序，让主程序处于一种循环状态，避免main函数return结束程序。

合理有效的代码框架能够让我们对我们的程序有更好的把控力（大概）。

下面，我来介绍一种可以实现任务类并行的一种编程方式，名为简易任务调度器，使得各任务之间一定程度上实现了松耦合。（听起来高大上，其实和裸机编程没区别，只是提供一个框架）。

这个框架本质上是基于时间判断（or 函数判断）的轮询任务调度。没有优先级，信号量等概念，因此不能称之为操作系统。

既然要对任务进行管理，就必须知晓任务在何时执行，因此需要设置一个定时器中断专门用来定时，以此计算时间。

单片机上的定时器十分滴珍贵，能发挥出很大的功能，如PWM，输入捕获等等。因此我们尽量不使用单片机的通用定时器和高级定时器作为时基。

幸运的是，官方介绍了一个16位定时器，名为SysTick，它是cortex-M内核带有的一个特殊定时器，我们就用它来做时基。实际上，许多RTOS的时基也是基于SysTick定时器的。

在HAL库中，我们最开始的初始化函数就是HAL_Init()，这里面有SysTick定时器的初始化，默认1ms发生一次中断。有关更多的SysTick信息，可以参考官方cortex_m4的文档。

这个任务调度框架的开发环境是Keil，我放在了GitHub，点这里访问。整体并不复杂，希望可以给你提供一些思路。

(访问GitHub是技术人的必要技能-.-

5 链接相关

拓展内容（仅供参考）

5.1 概述

链接负责把编译生成的目标文件(.o)组合成可执行的机器码。

作为一个可编程硬件，其中程序必须有存储位置，并且在运行时能够被CPU找到并执行，而不同的硬件对于存储地址有着不同的定义，因此在烧录程序前，还需要对程序的机器码进行重定向。

重定向操作是链接操作的一部分。

我们要知道，在不调用子程序和执行跳转指令的前提下，代码是一个接着一个执行的（从存储器空间地址上来讲就是一个接着一个执行的），因此，如何定义程序加载时的执行地址就成了一个重要的任务。

重定向保证了烧录程序后，程序在flash和sram中执行和存储的合理性和可执行性。

链接完成后，一般会生成一个.map文件，这个文件描述了程序中各个组份的大小和映射地址，感兴趣的可以去看看。

下面专门讨论链接中的重定向问题

5.1 Scatter

链接一般是由链接器在完成的，在 Keil 的 arm C/C++ Complier 中的链接器叫armlinker，armlinker使用一种叫做分散加载（scatter）的机制来分配数据和代码。

具体体现在Keil中，就是以.sct后缀名的文件。scatter详见官方描述。

一般默认情况下，该文件由Keil在编译阶段自己生成在Objects文件夹下，如果想要自行分配你的程序地址，需要在Keil设置中Linker选项下指定你的sct文件。

该文件为链接器提供了进行分散加载的指引。链接完成，烧录完成，代码开始运行时，不同的分散加载文件对arm的C库有不同的影响，具体的影响出现在初始化阶段，即影响 main 函数之前的 __main 函数。

需要分散加载的东西有以下几点：

  • Code 段:程序代码部分
  • RO Data 段:程序定义的所有常量以及const类型数据
  • RW Data 段:已经初始化的所有静态变量
  • ZI Data 段:未初始化的静态变量

程序烧录完成未运行时，程序存储在flash中。程序运行阶段，程序会被搬移到不同的地方，该操作由__main函数完成，(RW Data + ZI Data)会占用sram，(Code + RO Data + RW Data)会占用flash。

下面就是Keil默认生成的stm32F401CCU6的sct文件。

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************

LR_IROM1 0x08000000 0x00040000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x08000000 0x00040000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}

先分析一下文件结构

img

来写一下注释吧

首先我们先把STM32F401CCU6的存储器的映射地址贴出来

img

实际上，上电后，程序最最开始是在 0x0000 0000 地址处开始执行的，然后是由不知道是啥的程序跳转到我们自己的程序。那么 0x0000 0000 地址处到底是什么程序呢？这个是用户不可控的，以我目前的理解是与单片机原装的boatloader程序有关，如果你了解，还请你教教我(_)。

注释如下

; xxx.sct
; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************
;LR_IROM1是加载地址空间,即下载程序的地址
LR_IROM1 0x08000000 0x00040000; load region size_region
                              ; 0x08000000 表示你的程序在存储器的起始地址，
                              ; 0x00040000 表示你的程序在存储器占用的最大地址空间
                              
{  
  ;ER_IROM1是执行地址空间,即运行程序的地址空间。
  ;注意，程序存储地址和程序运行地址是不同的概念。
  ER_IROM1 0x08000000 0x00040000; load address = execution address
                                ; 0x08000000 表示你的程序的执行起始地址
                                ; 0x00040000 表示你的程序在执行时占用的最大地址空间

  {  
   *.o (RESET, +First);RESET是个区域的名字，你可以在启动文件找到它的定义，它定义了一些数据，包括中断向量表以及向量表的大小，+First表示首先加载，即中断向量表位于加载地址的首位。
   *(InRoot$$Sections);加载ARM相关C库，取决于你使用MicroLIB还是StandardLIB
                      ; All library sections that must be in a
                      ; root region, for example, __main.o,
                      ; __scatter*.o, __dc*.o, and * Region$$Table
   .ANY (+RO);加载其他任意文件的 RO 区域 
   .ANY (+XO);+XO is for execute only access
  }
  ;RW_IRAM1是执行地址空间,即运行程序的地址空间，RAM里一般存储一些需要经常修改的变量
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000 ; 0x20000000 表示你的程序的执行起始地址 
                                 ; 0x00010000 表示你的程序在执行时占用的最大地址空间
  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI);加载其他任意文件的RW 区域 和 ZI 区域
  }
}

当然这只是Keil自动生成的一个sct文件，各种程序都是没有特地的分配地址，通常情况下，使用自定义sct文件的场景并不多，至少我是没用过。

但是，当你去做一个产品时，sct文件一般是必要的，原因可能有以下几点：

  • 用户程序的升级需要Boatloader程序，这时需要调整sct以避免Boatloader程序和用户程序之间的地址冲突
  • 加快程序运行速度，对程序执行速度要求高的的算法可以设置到sram中去执行
  • 扩展存储，如果使用外扩存储器运行代码，则需要自定义sct

5.2 ld

以上的分散加载，包括前面的启动文件，我们都是在arm C/C++ 编译环境（Keil环境）下讨论的。这也是我相对熟悉的环境。

但是，我们要知道，arm不仅提供了 arm C/C++ Complier 环境，还提供了 GNU 的编译环境。这个GNU环境的名字叫 GNU Arm Embedded Toolchain。

GNU的编译环境在高级语言方面与arm C/C++ 没有什么区别，但是在相对底层的汇编语言，他们的指令集大不相同，以启动文件这一汇编文件来举例，可以说两种编译环境下，启动文件的功能基本相同，但实现语法大相径庭。

GNU编译环境是跨平台的编译环境，泛用性很高，这也是我在 3.2 节介绍的除Keil外的开发环境使用 arm gcc 编译器的原因。换句话说，就是因为它好移植。

类比于arm C/C++ Complier中的sct文件，GNU编译环境使用ld后缀名的文件为链接器提供指引。GNU链接脚本文件的语法我还没有理解透彻，感兴趣的可以自行浏览官方文档。

6 结语

以上，我们以STM32F401CCU6为例，在Keil环境下讨论了单片机的寄存器编程，启动文件中的复位中断，Arm的C/C++运行库，提出了一种基于SysTick的任务调度方式，最后，我们也浅谈了一下链接器相关的内容。

笔者接触单片机两年时间，忙着参加一些比赛，一直没有对单片机底层知识做过多的探究，学习也基本上是囫囵吞枣。现在借着写博客这个契机，对于单片机的某些底层做了一个简单的探究。

其实，在大多数的应用场景下，大家更多的是对于单片机外设的学习和使用，如GPIO，串口，IIC，定时器等等，很少了解一些冷门的底层知识。

因此，有些童鞋可能看不懂我写的一些东西，这也是正常的，想到两年前我也是什么都不懂的小白。这不影响你继续学习单片机。当你以后遇到这方面的问题，再回来看看，也许会获得某些启发。

在学习的过程中，参考他人的博客是最常用的学习方式。但是，说实话，国内的博客环境不太好，一大堆的复制品。大家不要盲信别人的博客（当然也包括我的），因为我们都是一些学习者，非专业人士，出错是难免的，一定要有自己的认知。有可能，尽量去找官方文档，或者官方社区。

嵌入式学习确实是个大坑，对软硬件知识都有一定的要求。除了单片机，大家以后还可能接触到嵌入式系统计算机，主流的有ARM-CortexA系列为内核的树莓派，Jetson Nano等等。这些东西和单片机的最大区别在于，他们可以跑非实时操作系统，一般是Linux系统。这些嵌入式系统的编程方式与单片机有很大的区别。

不管是啥，嵌入式的学习大多都是自学，比较有效的学习方式是参加各类比赛，做一些小项目，复刻别人的开源项目。

说这么多，主要是讲讲我对于嵌入式学习的一些理解，才疏学浅，如果你能够学到一点东西，那我这篇文章就是有意义的????。