STM32 启动流程

STM32 启动流程

参考文献：

[深入剖析STM32]STM32 启动流程详解 - 知乎 (zhihu.com)

概览

从上电复位到main函数的过程。主要有以下步骤：

1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp，初始化 PC 指针=Reset_Handler

2.初始化中断向量表

3.配置系统时钟

4.调用 C 库函数_main 初始化用户堆栈，然后进入 main 函数。

1 - STM32的启动模式

首先要讲一下STM32的启动模式，因为启动模式决定了向量表的位置，STM32有三种启动模式：

1. 主闪存存储器(Main Flash)启动：从STM32内置的Flash启动(0x0800 0000-0x0807 FFFF)，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面，重启后也直接从这启动程序。以0x08000000 对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x08000000 操作，且都是操作的同一块内存。

2. 系统存储器(System Memory)启动：从系统存储器启动(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF)，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的ISP程序中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个ISP程序将用户程序下载到系统的Flash中。以0x1FFFFFF0对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x1FFFFFF0操作，且都是操作的同一块内存。

   STM32在出厂时，由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader，也就是我们常说的ISP程序，这是一块ROM，出厂后无法修改。

3. 片上SRAM启动：从内置SRAM启动(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。SRAM 只能通过0x20000000进行操作，与上述两者不同。从SRAM 启动时，需要在应用程序初始化代码中重新设置向量表的位置。

用户可以通过设置BOOT0和BOOT1的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式。如下图所示：

启动模式只决定程序烧录的位置，加载完程序之后会有一个重映射(映射到0x00000000地址位置)；

真正产生复位信号的时候，CPU还是从开始位置执行。

值得注意的是STM32上电复位以后，代码区都是从0x00000000开始的，三种启动模式只是将各自存储空间的地址映射到0x00000000中。

2 - STM32的启动文件分析

因为启动过程主要是由汇编完成的，因此STM32的启动的大部分内容都是在启动文件里。笔者的启动文件是startup_stm32f103xe.s，不管使用标准库还是使用HAL库，启动文件都是差不多的。

2.1堆栈定义

1. Stack栈

栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。当程序较大时，需要修改栈的大小，不然可能会出现的HardFault的错误。

第33行：表示开辟栈的大小为 0X00000400（1KB），EQU是伪指令，相当于C 中的 define。

第35行：开辟一段可读可写数据空间，ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。段名为STACK，可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可读可写，ALIGN=3，表示按照 8 字节对齐。

第36行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间，单位为字节。

第37行： __initial_sp表示栈顶地址。栈是由高向低生长的。

2.Heap堆

堆主要用来动态内存的分配，像 malloc()函数申请的内存就在堆中。

开辟堆的大小为 0X00000200（512 字节），名字为 HEAP，NOINIT 即不初始化，可读可写，8字节对齐。__heap_base 表示对的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。

2.2向量表

向量表是一个WORD（ 32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。

值得注意的是这里有个另类： 0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值，后面会具体讲解。

……

第55行：定义一块代码段，段名字是RESET，READONLY 表示只读。

第56-58行：使用EXPORT将3个标识符申明为可被外部引用，声明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局属性。

第60行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码，中断向量表 存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常（也即是中断事件）发生时，CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器，之后就开始执行中断服务程序。在60行之后，依次定义了中断服务程序的入口地址。

第138行：__Vectors_End 为向量表结束地址。

第139行：__Vectors_Size则是向量表的大小，向量表的大小是通过__Vectors 和__Vectors_End 相减得到的。

上述向量表可以在《Reference manual》中找到的，笔者这里只截取了部分。

2.3复位程序

复位程序是系统上电后执行的第一个程序，复位程序也是中断程序，只是这个程序比较特殊，因此单独提出来讲解。

第145行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。

第146行：使用EXPORT将Reset_Handler申明为可被外部引用，后面WEAK表示弱定义，如果外部文件定义了该标号则首先引用该标号，如果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位程序可以由用户在其他文件重新实现，这种写法在HAL库中是很常见的。

第147-148行：表示该标号来自外部文件，SystemInit()是一个库函数，在system_stm32f1xx.c中定义的，__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，这个是由编译器完成的，该函数最终会调用我们自己写的main函数，从而进入C世界中。

第149行：这是一条汇编指令，表示从存储器中加载SystemInit到一个寄存器R0的地址中。

第150行：汇编指令，表示跳转到寄存器R0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。

第151行：和149行是一个意思，表示从存储器中加载__main到一个寄存器R0的地址中。

第152行：和150稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。

第153行：和PROC是对应的，表示程序的结束。

2.4中断服务程序

我们平时要使用哪个中断，就需要编写相应的中断服务程序，只是启动文件把这些函数留出来了，但是内容都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置罢了。

这部分没啥好说的，和服务程序类似的，只需要注意‘B .’语句，B表示跳转，这里跳转到一个‘.’，即表示无线循环。

2.5堆栈初始化

堆栈初始化是由一个IF条件来实现的，MICROLIB的定义与否决定了堆栈的初始化方式。

这个定义是在Options->Target中设置的。

如果没有定义__MICROLIB ， 则会使用双段存储器模式，且声明了__user_initial_stackheap 具有全局属性，这需要开发者自己来初始化堆栈。

这部分也没啥讲的，需要注意的是，ALIGN表示对指令或者数据存放的地址进行对齐，缺省表示4字节对齐。

2.6其他

第50行：PRESERVE8 用于指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。

第51行：THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令。现在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集，THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超集。