STM32启动过程和启动文件分析

一、概述

1、说明

　　每一款芯片的启动文件都值得去研究，因为它可是你的程序跑的最初一段路，不可以不知道。通过了解启动文件，我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容，是非常值得玩味的。

　　STM32作为一款高端Cortex-M3系列单片机，有必要了解它的启动文件。打好基础，为以后优化程序，写出高质量的代码最准备。

　　本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。

2、整体过程概括

　　STM整个启动过程是指从上电开始，一直到运行到main函数之间的这段过程，步骤为（以使用微库为例）：

①上电后硬件设置SP、PC

②设置系统时钟

③软件设置SP

④加载.data、.bss，并初始化栈区

⑤跳转到C文件的main函数

3、整个启动过程涉及的代码

　　启动过程涉及的文件不仅包含startup_stm32f10x_hd.s，还涉及到了MDK自带的连接库文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（从生成的map文件可以看出来）。

二、程序在Flash上的存储结构

　　在真正讲解启动过程之前，先要讲解程序下载到Flash上的结构和程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。

STM32启动过程和启动文件分析

MSP初始值　　　　　　　　编译器生成，主堆栈的初始值

异常向量表　　　　　　　　不多说

外部中断向量表　　　　　　不多说

代码段　　　　　　　　　　存放代码

初始化数据段　　　　　　　.data

未初始化数据段　　　　　　.bss

加载数据段和初始化栈的参数

　　加载数据段和初始化栈的参数分别有4个，这里只讲解加载数据段的参数，至于初始化栈的参数类似。

0x0800 033c　　Flash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址

0x2000 0000　　加载到SRAM上的目的地址

0x0000 000c　　数据段的总大小

0x0800 02f4　　调用函数_scatterload_copy

　　需要说明的是初始化栈的函数--0x0800 0304与加载数据段的函数不一样，为_scatterload_zeroinit，它的目的就是将栈空间清零。

STM32启动过程和启动文件分析

三、数据在SRAM上的结构

　　程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构

STM32启动过程和启动文件分析

四、详细过程分析

　　有了以上的基础，现在详细分析启动过程。

1、上电后硬件设置SP、PC

　　刚上电复位后，硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定义如下：

STM32启动过程和启动文件分析

　　调试现象如下：

STM32启动过程和启动文件分析

　　看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）

STM32启动过程和启动文件分析

　　硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP，然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC，完成复位，结果为：

SP = 0x0800 0810

PC = 0x0800 0145

2、设置系统时钟

STM32启动过程和启动文件分析

　　上一步中令PC=0x0800 0145的地址没有对齐，硬件自动对齐到0x0800 0144，执行SystemInit函数初始化系统时钟。

3、软件设置SP

　　LDR   R0,=__main
　　BX　　 R0

　　执行上两条之类，跳转到__main程序段运行，注意不是main函数，___main的地址是0x0800 0130。

STM32启动过程和启动文件分析

　　可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，结果SP=0x2000 0810。

4、加载.data、.bss，并初始化栈区

 BL.W     __scatterload_rt2

　　进入 __scatterload_rt2代码段。

__scatterload_rt2:
0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
0x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
0x0800016C E006      B        0x0800017C
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
0x08000178 4798      BLX      r3
0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#0x10
0x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

　　这段代码是个循环（BCC 0x0800016e），实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候，读取“加载数据段的函数（_scatterload_copy）”的地址并跳转到该函数处运行（注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数）；第二次运行的时候，读取“初始化栈的函数（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳转到该函数处运行。相应的代码如下：

0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174  
0x08000178 4798      BLX      r3
　　
　　当然执行这两个函数的时候，还需要传入参数。至于参数，我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后，结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后，也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下：

                 __scatterload_copy:
0x080002F4 E002      B        0x080002FC
0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
0x080002FC 2A00      CMP      r2,#0x00
0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
0x08000300 4770      BX       lr
                 __scatterload_null:
0x08000302 4770      BX       lr
                 __scatterload_zeroinit:
0x08000304 2000      MOVS     r0,#0x00
0x08000306 E001      B        0x0800030C
0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x0800030C 2A00      CMP      r2,#0x00
0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
0x08000310 4770      BX       lr

5、跳转到C文件的main函数

                 _main_init:
0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
0x0800013A 4700      BX       r0

五、异常向量与中断向量表

View Code

　　这段代码就是定义异常向量表，在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数 Reset_Handler、NMI_Handler等，在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。

startup_stm32f10x_hd.s内容：

NMI_Handler     PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP


stm32f10x_it.c中内容：
void NMI_Handler(void)
{
}

　　在启动汇编文件中已经定义了函数NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允许我们再重新定义一个NMI_Handler函数，程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在，只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。

六、使用微库与不使用微库的区别

STM32启动过程和启动文件分析

　　使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数，而想用自己定义的库函数，比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢？我们以printf函数为例进行说明。

1、不使用微库而使用系统库

　　在连接程序时，肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接，即代码段有系统库的参与。

　　在启动过程中，不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候，还需要初始化堆（猜测系统库需要用到堆），而使用微库则是不需要的。

                 IF      :DEF:__MICROLIB

                 EXPORT  __initial_sp
                 EXPORT  __heap_base
                 EXPORT  __heap_limit

                 ELSE

                 IMPORT  __use_two_region_memory
                 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

　　另外，在执行__main函数的过程中，不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作，额外的工作还需要进行库的初始化，才能使用系统库（这一部分我还没有深入探讨）。附上__main函数的内容：

View Code

2、使用微库而不使用系统库

　　在程序连接时，不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中，而使用我们定义的库。

　　启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5，相比使用系统库，启动过程步骤更少。

======================代码分析=================================

;// <h> Stack Configuration
;// <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
;// </h>
Stack_Size EQU 0x00000200 ;//定义堆栈大小
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ;//定义一个数据段按8字节对齐
Stack_Mem SPACE Stack_Size ;//保留Stack_Size大小的堆栈空间
__initial_sp ;//标号，代表堆栈顶部地址，后面有用
;// <h> Heap Configuration
;// <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
;// </h>
Heap_Size EQU 0x00000020 ;//定义堆空间大小
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ;//定义一个数据段，8字节对齐
__heap_base
Heap_Mem SPACE Heap_Size ;//保留Heap_Size的堆空间
__heap_limit ;//标号，代表堆末尾地址，后面有用
PRESERVE8 ;//指示编译器8字节对齐
THUMB ;//指示编译器为THUMB指令
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY ;//定义只读数据段，其实放在CODE区，位于0地址
EXTERN NMIException
EXTERN HardFaultException
EXTERN MemManageException
EXTERN BusFaultException
EXTERN UsageFaultException
EXTERN SVCHandler
EXTERN DebugMonitor
EXTERN PendSVC
EXTERN SysTickHandler ;//声明这些符号在外部定义，同C
;//在××it.c中实现这些函数，中断就能自动调用了
EXPORT __Vectors
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack //Cotex-M 要求此处为堆栈顶部地址
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMIException ; NMI Handler
DCD HardFaultException ; Hard Fault Handler
DCD MemManageException ; MPU Fault Handler
DCD BusFaultException ; Bus Fault Handler
DCD UsageFaultException ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVCHandler ; SVCall Handler
DCD DebugMonitor ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSVC ; PendSV Handler
DCD SysTickHandler ; SysTick Handler //一大堆的异常处理函数地址
; External Interrupts
EXTERN WWDG_IRQHandler
EXTERN PVD_IRQHandler
EXTERN TAMPER_IRQHandler
EXTERN RTC_IRQHandler
EXTERN FLASH_IRQHandler
EXTERN RCC_IRQHandler
EXTERN EXTI0_IRQHandler
EXTERN EXTI1_IRQHandler
EXTERN EXTI2_IRQHandler
EXTERN EXTI3_IRQHandler
EXTERN EXTI4_IRQHandler
EXTERN DMAChannel1_IRQHandler
EXTERN DMAChannel2_IRQHandler
EXTERN DMAChannel3_IRQHandler
EXTERN DMAChannel4_IRQHandler
EXTERN DMAChannel5_IRQHandler
EXTERN DMAChannel6_IRQHandler
EXTERN DMAChannel7_IRQHandler
EXTERN ADC_IRQHandler
EXTERN USB_HP_CAN_TX_IRQHandler
EXTERN USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler
EXTERN CAN_RX1_IRQHandler
EXTERN CAN_SCE_IRQHandler
EXTERN EXTI9_5_IRQHandler
EXTERN TIM1_BRK_IRQHandler
EXTERN TIM1_UP_IRQHandler
EXTERN TIM1_TRG_COM_IRQHandler
EXTERN TIM1_CC_IRQHandler
EXTERN TIM2_IRQHandler
EXTERN TIM3_IRQHandler
EXTERN TIM4_IRQHandler
EXTERN I2C1_EV_IRQHandler
EXTERN I2C1_ER_IRQHandler
EXTERN I2C2_EV_IRQHandler
EXTERN I2C2_ER_IRQHandler
EXTERN SPI1_IRQHandler
EXTERN SPI2_IRQHandler
EXTERN USART1_IRQHandler
EXTERN USART2_IRQHandler
EXTERN USART3_IRQHandler
EXTERN EXTI15_10_IRQHandler
EXTERN RTCAlarm_IRQHandler
EXTERN USBWakeUp_IRQHandler ;//同上，
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4
DCD DMAChannel1_IRQHandler ; DMA Channel 1
DCD DMAChannel2_IRQHandler ; DMA Channel 2
DCD DMAChannel3_IRQHandler ; DMA Channel 3
DCD DMAChannel4_IRQHandler ; DMA Channel 4
DCD DMAChannel5_IRQHandler ; DMA Channel 5
DCD DMAChannel6_IRQHandler ; DMA Channel 6
DCD DMAChannel7_IRQHandler ; DMA Channel 7
DCD ADC_IRQHandler ; ADC
DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN TX
DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN RX0
DCD CAN_RX1_IRQHandler ; CAN RX1
DCD CAN_SCE_IRQHandler ; CAN SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture Compare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10
DCD RTCAlarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspend ;//同上
AREA |.text|, CODE, READONLY ;//定义代码段
; Reset Handler
Reset_Handler PROC ;//Rset_Handler的实现
EXPORT Reset_Handler [WEAK] ;//在外部没有定义该符号时导出该符号，见HELP中[WEAK]
IMPORT __main ;//导入符号,__main为运行时库提供的函数；完成堆栈，堆的初始话
LDR R0, =__main ;//等工作，会调用下面定义的__user_initial_stackheap；
BX R0 ;//跳到__main，进入C的世界
ENDP
ALIGN
; User Initial Stack & Heap
IF :DEF:__MICROLIB ;//如果使用micro lib,micro lib 描述见armlib.chm
EXPORT __initial_sp
EXPORT __heap_base
EXPORT __heap_limit ;//只导出几个定义
ELSE ;//如果使用默认C运行时库
IMPORT __use_two_region_memory
EXPORT __user_initial_stackheap
__user_initial_stackheap ;//则进行堆栈和堆的赋值，在__main函数执行过程中调用。
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 ;//OK ，完了

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