STM32 芯片启动过程

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一、前言

下面主要讲解从上电复位到 main 函数的过程。主要有以下步骤：

1. 初始化堆栈指针：SP = __initial_sp、PC = 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

二、STM32 的启动模式

启动模式决定了中断向量表的位置，STM32 有三种启动模式：

1. 主闪存存储器启动：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。
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。

我们可以选择设置 BOOT0 和 BOOT1 的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式，如下表：

BOOT1	BOOT0	自举模式	自举空间
x	0	主 Flash	选择主 Flash 作为自举空间
0	1	系统存储器	选择系统存储器作为自举空间
1	1	嵌入式 SRAM	选择嵌入式 SRAM 作为自举空间

==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。

三、STM32 启动文件分析

下面针对 startup_stm32f40_41xxx.s 文件进行简单的分析。

1、栈 Stack

Stack_Size      EQU     0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

这段代码的含义如下：开辟栈的大小为 0X00000400（1KB），名字为 STACK， NOINIT 即不初始化，可读可写， ALIGN=3 表示 8（2^3）字节对齐。

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。如果编写的程序比较大，定义的局部变量很多，那么就需要修改栈的大小。

• EQU：宏定义的伪指令，相当于等于，类似于 C 中的 define。
• AREA：告诉汇编器汇编一个新的代码段或者数据段。STACK 表示段名，这个可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可读可写，ALIGN=3，表示按照 $2^3$ 对齐，即 8 字节对齐。
• SPACE：用于分配一定大小的内存空间，单位为字节。这里指定大小等于 Stack_Size。
• 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。

2、堆 Heap

Heap_Size       EQU     0x00000200

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

				PRESERVE8
                THUMB

解释如下：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，ALIGN=3 同理表示 8（2^3）字节对齐。__heap_base 表示堆的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。堆是由低向高生长的，跟栈的生长方向相反。

• PRESERVE8：指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。
• THUMB：表示后面指令兼容 THUMB 指令。THUBM 是 ARM 指令集的一个子集重新编码二形成的一个指令集，其指令长度为 16bit，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。

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。不过这个在 STM32 里面用的比较少。

3、中断向量表 Vectors

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

这里定义一个数据段，名字为 RESET，可读。并声明 __Vectors、__Vectors_End 和 __Vectors_Size 这三个标号具有全局属性，可供外部的文件（C 文件等）调用。

• EXPORT：声明一个标号可被外部的文件使用，使标号具有全局属性。如果是 IAR 编译器，则使用的是 GLOBAL 这个指令。

当内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程（ESR）就会执行。为了决定 ESR 的入口地址， 内核使用了向量表查表机制。这里使用一张向量表。向量表其实是一个 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。要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。下图是 F407 的向量表的一部分，具体参阅想要使用的芯片对应的手册即可。

可以看到和代码中的定义是一一对应的：

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler
				......
	
__Vectors_End

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors

向量表从 FLASH 的 0 地址开始放置，以 4 个字节为一个单位，地址 0 存放的是栈顶地址， 0X04 存放的是复位程序的地址，以此类推。从代码上看，向量表中存放的都是中断服务函数的函数名，可我们知道 C 语言中的函数名就是一个地址。

• DCD：分配一个或者多个以字为单位的内存，以四字节对齐，并要求初始化这些内存。在向量表中，DCD 分配了一堆内存，并且以 ESR 的入口地址初始化它们。

3.1 中断响应流程

这里既然提到了中断向量表，就额外补充以下中断响应流程：

1. 中断信号发送到 NVIC
2. NVIC 通知 CPU
3. CPU 根据中断号得到中断服务程序地址（基地址 + 中断编号 * 4B）
4. 保存现场
5. 执行中断服务程序
6. 恢复现场
7. 继续执行程序

下面以 PendSV_Handler 为例，说明一下：

可以看到 PendSV_Handler 的中断号是 14，也就是 $14*4=(56)_{10}=(38)_2$。

而中断向量表的基地址为 0x08000000，故其服务函数的地址在 0x08000038，见下 bin 文件（下面会提到）：

解析出来是：0x080002D7，而 map 文件中却是：0x080002D6

原因如下：ARM 指令集有 ARM 指令集和 Thumb 指令集。ARM 指令集位数长；而 Thumb 指令集位数短，故而占用内存比较小，所以编译器大部分时间采用 Thumb 指令集。

• Thumb 指令集末尾是奇数位 1，像这里的 0x080002D7
• ARM 指令集末尾是偶数位 0，也就是这里的 0x080002D6

而我们访问 0x080002D7 这个地址的时候，它实际上会跳转到 0x080002D6 这个地址。

4、复位程序 Reset_Handler

				AREA    |.text|, CODE, READONLY

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

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

首先定义一个名称为 .text 的代码段，仅可读。

复位子程序是系统上电后第一个执行的程序，调用 SystemInit 函数初始化系统时钟，然后调用 C 库函数 __main，最终调用 main 函数去到 C 程序中。

• WEAK：表示弱定义，如果外部文件优先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。这里表示复位子程序可以由用户在其他文件重新实现，这里并不是唯一的。
• IMPORT：表示该标号来自外部文件，跟 C 语言中的 EXTERN 关键字类似。这里表示 SystemInit 和 __main 这两个函数均来自外部的文件。
• 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，并把跳转前的下一条指针地址保存到 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

SystemInit() 是一个标准的库函数，在 system_stm32f4xx.c 这个库文件中定义。主要作用是配置系统时钟。__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，并在函数的最后调用 main 函数去到 C 程序中。这就是为什么我们写的程序都有一个 main 函数的原因。

5、中断服务函数

在启动文件里面已经帮我们写好所有中断的中断服务函数，跟我们平时写的中断服务函数不一样的就是这些函数都是空的，真正的中断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而已。

如果我们在使用某个外设的时候，开启了某个中断，但是又忘记编写配套的中断服务程序或者函数名写错，那当中断来临的时，程序就会跳转到启动文件预先写好的空的中断服务程序中，并且在这个空函数中无线循环，即程序就死在这里。

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP
				...
SysTick_Handler PROC
                EXPORT  SysTick_Handler            [WEAK]
                B       .
                ENDP

在 stm32f4xx_it.c 文件中对这几个中断服务函数做了重定向定义：

当我们在这里定义的话，汇编里的实现就不起作用了。

下面是一些外设相关的中断服务程序：

Default_Handler PROC

                EXPORT  WWDG_IRQHandler                   [WEAK]    
				...
				EXPORT  FPU_IRQHandler                    [WEAK]

WWDG_IRQHandler                                                       
PVD_IRQHandler
...
CRYP_IRQHandler                                                    
HASH_RNG_IRQHandler
FPU_IRQHandler
   
                B       .

                ENDP

• B：跳转到一个标号。这里跳转到一个‘.’，即表示无线循环

当我们使能了 USART1 中断，而没有在 C 程序中实现 USART1_IRQHandler，那就会在启动文件的汇编程序中进行死循环，而死循环就是通过这个 B . 来实现的。

6、用户堆栈初始化

ALIGN

;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization, 由 C 库函数 __main 来完成
;*******************************************************************************
                 IF      :DEF:__MICROLIB  ; 这个宏在 KEIL 里面开启
                
                 EXPORT  __initial_sp
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit
                
                 ELSE
                
                 IMPORT  __use_two_region_memory   ; 这个函数由用户自己实现
                 EXPORT  __user_initial_stackheap
                 
__user_initial_stackheap

                 LDR     R0, =  Heap_Mem
                 LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
                 LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
                 LDR     R3, = Stack_Mem
                 BX      LR

                 ALIGN

                 ENDIF

                 END

• ALIGN：对指令或者数据存放的地址进行对齐，后面会跟一个立即数。缺省表示 4 字节对齐。
• IF,ELSE,ENDIF：汇编的条件分支语句，跟 C 语言的 if ,else 类似
• END：文件结束

首先判断是否定义了 __MICROLIB：

• 如果定义了这个宏则赋予标号 __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。有关这个宏我们在 KEIL 里面配置，具体见下图。然后堆栈的初始化就由 C 库函数 __main 来完成。
• 如果没有定义 __MICROLIB，则才用双段存储器模式，且声明标号 __user_initial_stackheap 具有全局属性，让用户自己来初始化堆栈。

这里的 __user_initial_stackheap 就是前面提到的 __main 函数中的一个标签，也就相当于一个函数，初始化了堆栈的大小

Use MicroLIB 有什么好处呢？当我们的程序使用到了一些 C 库的一些文件的时候，比如 printf 等，可以减小生成的代码。但是，它的执行速度没有标准 C 库的速度快。也就是用时间换空间，使用的时候自行取舍是否使用微库（Use MicroLIB）。

四、STM32 启动流程分析

经过刚才对启动文件的分析，下面对 STM32 启动流程的分析就要清晰不少了。

1、初始化 SP、PC 及中断向量表

当系统复位后，处理器首先读取向量表中的前两个字(8 个字节)，第一个字存入 SP，第二个字存入 PC，也就是
程序执行的起始地址。

下面打开经过编译生成的 bin 文件，看到前 8 个字节的内容如下（小端模式）：

Keil 默认生成 hex 文件，要想生成 bin 文件要自己添加命令，设置如下：

D:\Keil_v5\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin --output=Objects/stm32f407.bin Objects/stm32f407.axf

即 0x20000660 和 0x0800020D，下面在 map 文件（存放链接地址）中查找这两个地址存放的是什么数据：

这正是中断向量表的前两项内容，这也印证了前面所说的内容：

2、设置系统时钟

接下来执行 PC 指向的 Reset_Handler，并调用 SystemInit 初始化系统时钟。

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
  /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
  /* Set HSION bit */
  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000001;

  /* Reset CFGR register */
  RCC->CFGR = 0x00000000;

  /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFFF;

  /* Reset PLLCFGR register */
  RCC->PLLCFGR = 0x24003010;

  /* Reset HSEBYP bit */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFF;

  /* Disable all interrupts */
  RCC->CIR = 0x00000000;

#if defined(DATA_IN_ExtSRAM) || defined(DATA_IN_ExtSDRAM)
  SystemInit_ExtMemCtl(); 
#endif /* DATA_IN_ExtSRAM || DATA_IN_ExtSDRAM */
         
  /* Configure the System clock source, PLL Multiplier and Divider factors, 
     AHB/APBx prescalers and Flash settings ----------------------------------*/
  SetSysClock();

  /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif
}

时钟部分可以参考：STM32 时钟树（基于 STM32F407）

前面的部分是配置时钟的，具体参考手册即可。需要注意的是最后一段代码：

默认是没有开启 VECT_TAB_SRAM（即从 SRAM 中启动），表示从 FLASH 中启动，VTOR 寄存器存放的是中断向量表的起始地址，在 IAP 升级会修改这里的偏移量。

3、初始化堆栈并进入 main

执行完 SystemInit 后又调用了标准库中的 __main 函数：

在这里会初始化堆、栈、RO、RW、ZI 段。最后就进入到 C 文件中的 main 函数中。

有关内存分段的内存可以参考：单片机内存区域划分

五、总结

至此，启动过程圆满结束！