解析STM32启动过程

相对于ARM上一代的主流ARM7/ARM9内核架构，新一代Cortex内核架构的启动方式有了比较大的变化。ARM7/ARM9内核的控制器在复位后，CPU会从存储空间的绝对地址0x000000取出第一条指令执行复位中断服务程序的方式启动，即固定了复位后的起始地址为0x000000（PC = 0x000000）同时中断向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3内核则正好相反，有3种情况:
1、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于SRAM区，即起始地址为0x2000000，同时复位后PC指针位于0x2000000处；
2、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于FLASH区，即起始地址为0x8000000，同时复位后PC指针位于0x8000000处；
3、 通过boot引脚设置可以将中断向量表定位于内置Bootloader区，本文不对这种情况做论述；
而Cortex-M3内核规定，起始地址必须存放堆顶指针，而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址，这样在Cortex-M3内核复位后，会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量，跳转执行复位中断服务程序。对比ARM7/ARM9内核，Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。
有了上述准备只是后，下面以STM32的2.02固件库提供的启动文件“stm32f10x_vector.s”为模板，对STM32的启动过程做一个简要而全面的解析。

  
 
 

DATA_IN_ExtSRAM EQU 0   
   
  
  
Stack_Size EQU 0x00000400   
   
  
  

AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3   

   
  
  
Stack_Mem SPACE Stack_Size   
   
  
  
__initial_sp   
   
  
  
Heap_Size EQU 0x00000400   
   
  
  

AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3   

   
  
  
__heap_base   
   
  
  
Heap_Mem SPACE Heap_Size   
   
  
  
__heap_limit   
   
  
  
THUMB   
   
  
  
PRESERVE8   
   
  
  
IMPORT NMIException  
   
  
  
IMPORT HardFaultException   
   
  
  
IMPORT MemManageException   
   
  
  
IMPORT BusFaultException   
   
  
  
IMPORT UsageFaultException   
   
  
  
IMPORT SVCHandler   
   
  
  
IMPORT DebugMonitor   
   
  
  
IMPORT PendSVC   
   
  
  
IMPORT SysTickHandler   
   
  
  
IMPORT WWDG_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT PVD_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TAMPER_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT RTC_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT FLASH_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT RCC_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI0_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI1_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI2_IRQHandler  
   
  
  
IMPORT EXTI3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI4_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT ADC1_2_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT CAN_RX1_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT CAN_SCE_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI9_5_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM1_UP_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM1_CC_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM2_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM4_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT I2C1_EV_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT I2C1_ER_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT I2C2_EV_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT I2C2_ER_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT SPI1_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT SPI2_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USART1_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USART2_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USART3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT EXTI15_10_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT RTCAlarm_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT USBWakeUp_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM8_UP_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM8_CC_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT ADC3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT FSMC_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT SDIO_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM5_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT SPI3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT UART4_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT UART5_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM6_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT TIM7_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler  
   
  
  
IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler  
   
  
  
IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler   
   
  
  
IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler   
   
  
  
AREA RESET, DATA, READONLY   
   
  
  
EXPORT __Vectors   
   
  
  
__Vectors   
   
  
  
DCD __initial_sp   
   
  
  
DCD Reset_Handler   
   
  
  
DCD NMIException   
   
  
  
DCD HardFaultException   
   
  
  
DCD MemManageException   
   
  
  
DCD BusFaultException   
   
  
  
DCD UsageFaultException   
   
  
  
DCD 0   
   
  
  
DCD 0   
   
  
  
DCD 0   
   
  
  
DCD 0   
   
  
  
DCD SVCHandler   
   
  
  
DCD DebugMonitor   
   
  
  
DCD 0   
   
  
  
DCD PendSVC   
   
  
  
DCD SysTickHandler   
   
  
  
DCD WWDG_IRQHandler   
   
  
  
DCD PVD_IRQHandler   
   
  
  
DCD TAMPER_IRQHandler   
   
  
  
DCD RTC_IRQHandler   
   
  
  
DCD FLASH_IRQHandler   
   
  
  
DCD RCC_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI0_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI1_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI2_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI3_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI4_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler   
   
  
  
DCD ADC1_2_IRQHandler   
   
  
  
DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler   
   
  
  
DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler   
   
  
  
DCD CAN_RX1_IRQHandler   
   
  
  
DCD CAN_SCE_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI9_5_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM1_BRK_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM1_UP_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM1_CC_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM2_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM3_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM4_IRQHandler  
   
  
  
DCD I2C1_EV_IRQHandler   
   
  
  
DCD I2C1_ER_IRQHandler   
   
  
  
DCD I2C2_EV_IRQHandler   
   
  
  
DCD I2C2_ER_IRQHandler   
   
  
  
DCD SPI1_IRQHandler   
   
  
  
DCD SPI2_IRQHandler   
   
  
  
DCD USART1_IRQHandler   
   
  
  
DCD USART2_IRQHandler   
   
  
  
DCD USART3_IRQHandler   
   
  
  
DCD EXTI15_10_IRQHandler   
   
  
  
DCD RTCAlarm_IRQHandler   
   
  
  
DCD USBWakeUp_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM8_BRK_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM8_UP_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM8_CC_IRQHandler   
   
  
  
DCD ADC3_IRQHandler   
   
  
  
DCD FSMC_IRQHandler   
   
  
  
DCD SDIO_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM5_IRQHandler   
   
  
  
DCD SPI3_IRQHandler   
   
  
  
DCD UART4_IRQHandler   
   
  
  
DCD UART5_IRQHandler  
   
  
  
DCD TIM6_IRQHandler   
   
  
  
DCD TIM7_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler   
   
  
  
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler   
   
  
  
AREA |.text|, CODE, READONLY   
   
  
  
Reset_Handler PROC   
   
  
  
EXPORT Reset_Handler   
   
  
  

IF DATA_IN_ExtSRAM == 1  

   
  
  
LDR R0,= 0x00000114  
   
  
  
LDR R1,= 0x40021014  
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x000001E0   
   
  
  
LDR R1,= 0x40021018   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x44BB44BB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011400   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0xBBBBBBBB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011404  
   
  
  
STR R0,[R1]  
   
  
  
LDR R0,= 0xB44444BB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011800   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0xBBBBBBBB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011804   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x44BBBBBB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011C00   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0xBBBB4444   
   
  
  
LDR R1,= 0x40011C04   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x44BBBBBB   
   
  
  
LDR R1,= 0x40012000   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x44444B44   
   
  
  
LDR R1,= 0x40012004   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x00001011   
   
  
  
LDR R1,= 0xA0000010   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
LDR R0,= 0x00000200   
   
  
  
LDR R1,= 0xA0000014   
   
  
  
STR R0,[R1]   
   
  
  
ENDIF   
   
  
  
IMPORT __main   
   
  
  
LDR R0, =__main   
   
  
  
BX R0   
   
  
  
ENDP   
   
  
  
ALIGN   
   
  
  
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   
   
  
  
END   
   
  
  
ENDIF   
   
  
  
END   
  
 
 

如程序清单一，STM32的启动代码一共224行，使用了汇编语言编写，这其中的主要原因下文将会给出交代。现在从第一行开始分析：
 第1行：定义是否使用外部SRAM，为1则使用，为0则表示不使用。此语行若用C语言表达则等价于：
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
 第2行：定义栈空间大小为0x00000400个字节，即1Kbyte。此语行亦等价于：
#define Stack_Size 0x00000400
 第3行：伪指令AREA，表示
 第4行：开辟一段大小为Stack_Size的内存空间作为栈。
 第5行：标号__initial_sp，表示栈空间顶地址。
 第6行：定义堆空间大小为0x00000400个字节，也为1Kbyte。
 第7行：伪指令AREA，表示
 第8行：标号__heap_base，表示堆空间起始地址。
 第9行：开辟一段大小为Heap_Size的内存空间作为堆。
 第10行：标号__heap_limit，表示堆空间结束地址。
 第11行：告诉编译器使用THUMB指令集。
 第12行：告诉编译器以8字节对齐。
 第13—81行：IMPORT指令，指示后续符号是在外部文件定义的（类似C语言中的全局变量声明），而下文可能会使用到这些符号。
 第82行：定义只读数据段，实际上是在CODE区（假设STM32从FLASH启动，则此中断向量表起始地址即为0x8000000）
 第83行：将标号__Vectors声明为全局标号，这样外部文件就可以使用这个标号。
 第84行：标号__Vectors，表示中断向量表入口地址。
 第85—160行：建立中断向量表。
 第161行：
 第162行：复位中断服务程序，PROC…ENDP结构表示程序的开始和结束。
 第163行：声明复位中断向量Reset_Handler为全局属性，这样外部文件就可以调用此复位中断服务。
 第164行：IF…ENDIF为预编译结构，判断是否使用外部SRAM，在第1行中已定义为“不使用”。
 第165—201行：此部分代码的作用是设置FSMC总线以支持SRAM，因不使用外部SRAM因此此部分代码不会被编译。
 第202行：声明__main标号。
 第203—204行：跳转__main地址执行。
 第207行：IF…ELSE…ENDIF结构，判断是否使用DEF:__MICROLIB（此处为不使用）。
 第208—210行：若使用DEF:__MICROLIB，则将__initial_sp，__heap_base，__heap_limit亦即栈顶地址，堆始末地址赋予全局属性，使外部程序可以使用。
 第212行：定义全局标号__use_two_region_memory。
 第213行：声明全局标号__user_initial_stackheap，这样外程序也可调用此标号。
 第214行：标号__user_initial_stackheap，表示用户堆栈初始化程序入口。
 第215—218行：分别保存栈顶指针和栈大小，堆始地址和堆大小至R0，R1，R2，R3寄存器。
 第224行：程序完毕。
以上便是STM32的启动代码的完整解析，接下来对几个小地方做解释：
1、 AREA指令：伪指令，用于定义代码段或数据段，后跟属性标号。其中比较重要的一个标号为“READONLY”或者“READWRITE”，其中“READONLY”表示该段为只读属性，联系到STM32的内部存储介质，可知具有只读属性的段保存于FLASH区，即0x8000000地址后。而“READONLY”表示该段为“可读写”属性，可知“可读写”段保存于SRAM区，即0x2000000地址后。由此可以从第3、7行代码知道，堆栈段位于SRAM空间。从第82行可知，中断向量表放置与FLASH区，而这也是整片启动代码中最先被放进FLASH区的数据。因此可以得到一条重要的信息：0x8000000地址存放的是栈顶地址__initial_sp，0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset_Handler（STM32使用32位总线，因此存储空间为4字节对齐）。
2、 DCD指令：作用是开辟一段空间，其意义等价于C语言中的地址符“&”。因此从第84行开始建立的中断向量表则类似于使用C语言定义了一个指针数组，其每一个成员都是一个函数指针，分别指向各个中断服务函数。
3、 标号：前文多处使用了“标号”一词。标号主要用于表示一片内存空间的某个位置，等价于C语言中的“地址”概念。地址仅仅表示存储空间的一个位置，从C语言的角度来看，变量的地址，数组的地址或是函数的入口地址在本质上并无区别。
4、 第202行中的__main标号并不表示C程序中的main函数入口地址，因此第204行也并不是跳转至main函数开始执行C程序。__main标号表示C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序__main的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈（对于程序清单一来说则是跳转__user_initial_stackheap标号进行初始化堆栈的），并初始化映像文件，最后跳转C程序中的main函数。这就解释了为何所有的C程序必须有一个main函数作为程序的起点——因为这是由C/C++标准实时库所规定的——并且不能更改，因为C/C++标准实时库并不对外界开发源代码。因此，实际上在用户可见的前提下，程序在第204行后就跳转至.c文件中的main函数，开始执行C程序了。
至此可以总结一下STM32的启动文件和启动过程。首先对栈和堆的大小进行定义，并在代码区的起始处建立中断向量表，其第一个表项是栈顶地址，第二个表项是复位中断服务入口地址。然后在复位中断服务程序中跳转¬¬C/C++标准实时库的__main函数，完成用户堆栈等的初始化后，跳转.c文件中的main函数开始执行C程序。假设STM32被设置为从内部FLASH启动（这也是最常见的一种情况），中断向量表起始地位为0x8000000，则栈顶地址存放于0x8000000处，而复位中断服务入口地址存放于0x8000004处。当STM32遇到复位信号后，则从0x80000004处取出复位中断服务入口地址，继而执行复位中断服务程序，然后跳转__main函数，最后进入mian函数，来到C的世界。