詳解STM32啟動(dòng)過(guò)程
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本章教程主要跟大家講STM32H7的啟動(dòng)過(guò)程，這里的啟動(dòng)過(guò)程是指從CPU上電復(fù)位執(zhí)行第1條指令開(kāi)始（匯編文件）到進(jìn)入C程序main()函數(shù)入口之間的部分。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202404/458024.htm啟動(dòng)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較重要的，理解了這個(gè)過(guò)程，對(duì)于以后分析程序還是有些幫助的，要不每次看到這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程都會(huì)跳過(guò)，直接去看主程序了。
還有就是以后打算學(xué)習(xí)RTOS的話，對(duì)于這個(gè)過(guò)程必須有個(gè)了解，因?yàn)橐浦驳臅r(shí)候涉及到中斷向量表。
對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，看這個(gè)可能有些吃力，不過(guò)不要緊，隨著自己做過(guò)一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用之后再來(lái)看這章，應(yīng)該會(huì)有很多的幫助，由于我們的V7板子是基于STM32H7XXX，所以我們這里主要針對(duì)H7系列的啟動(dòng)過(guò)程做一下分析，對(duì)于F1，F(xiàn)4系列也是大致相同的。
1 初學(xué)者重要提示
相比F1，F(xiàn)4的啟動(dòng)方式，H7的啟動(dòng)方式更靈活些，只需一個(gè)boot引腳即可。但是一個(gè)引腳只能區(qū)分出兩個(gè)狀態(tài)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，H7專(zhuān)門(mén)配套了兩個(gè)option bytes選項(xiàng)字節(jié)來(lái)解決此問(wèn)題。
2 各個(gè)版本的啟動(dòng)文件介紹
這里各個(gè)版本的意思是指不同的編譯器、不同的H7系列對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)文件。
2.1 不同編譯器對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)文件
打開(kāi)我們?yōu)楸窘坛烫峁┑墓こ涛募?，路徑如下?/span>
LibrariesCMSISDeviceSTSTM32H7xxSourceTemplates 在這個(gè)文件里面有ST官方為各個(gè)編譯器提供的啟動(dòng)文件。
看了上面的截圖，大家會(huì)問(wèn)怎么沒(méi)有KEIL MDK呢？其實(shí)已經(jīng)被放在了文件夾arm里面，KEIL公司已經(jīng)在2005年被ARM公司收購(gòu)了。開(kāi)發(fā)板大部分例程都是配套了MDK和IAR兩個(gè)版本，這里重點(diǎn)給大家分析一下MDK的啟動(dòng)文件分析，IAR和MDK的大同小異。
2.2 不同H7系列對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)文件
先來(lái)看一下ARM文件夾里面的文件（2018-07-03，當(dāng)前只有如下兩個(gè)系列，后期ST會(huì)增加新的型號(hào)，相應(yīng)的啟動(dòng)文件也會(huì)添加進(jìn)來(lái)）：
如果是H743系列，就使用startup_stm32h743xx.s文件，如果是H753系列，就使用startup_stm32h753xx文件。當(dāng)前H743和753系列對(duì)應(yīng)的型號(hào)如下：
我們?cè)賮?lái)打開(kāi)IAR文件夾里面的文件：
多了一個(gè)linker文件夾，用于IAR配置的ICF文件：
而啟動(dòng)文件跟MDK里面的一樣，一個(gè)是用H743系列，另一個(gè)是用于H753系列。
3 啟動(dòng)文件分析
鑒于V7開(kāi)發(fā)板使用的是STM32H743XI，下面我們?cè)敿?xì)的分析一下啟動(dòng)文件startup_stm32h743xx.s。分析前，先掌握一個(gè)小技能，遇到不認(rèn)識(shí)的指令或者關(guān)鍵詞可以檢索。
啟動(dòng) MDK軟件，在Help菜單點(diǎn)擊 uVision Help
點(diǎn)擊后彈出如下文件
在搜索欄輸入你需要查詢(xún)的單詞進(jìn)行查詢(xún)，然后點(diǎn)擊“列出主題”按鈕，會(huì)將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)都羅列出來(lái)。此功能非常實(shí)用，建議熟練掌握。
下面先來(lái)看啟動(dòng)文件前面的介紹 （固件庫(kù)版本：V1.2.0）
;******************** (C) COPYRIGHT 2017 STMicroelectronics ********************;* File Name : startup_stm32h743xx.s;* @author MCD Application Team;* version : V1.2.0;* Date : 29-December-2017;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain. ;* This module performs:;* - Set the initial SP;* - Set the initial PC == Reset_Handler;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address;* - Branches to __main in the C library (which eventually;* calls main()).;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> ;*******************************************************************************; ; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");; You may not use this file except in compliance with the License.; You may obtain a copy of the License at:; ; http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2; ; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software ; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, ; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.; See the License for the specific language governing permissions and; limitations under the License.; ;*******************************************************************************
啟動(dòng)文件是后綴為.s的匯編語(yǔ)言文本文件，每行前面的分號(hào)表示此行是注釋行。
啟動(dòng)文件主要完成如下工作，即程序執(zhí)行過(guò)程：
- 設(shè)置堆棧指針SP = __initial_sp。
- 設(shè)置PC指針 = Reset_Handler。
- 設(shè)置中斷向量表。
- 配置系統(tǒng)時(shí)鐘。
- 配置外部SRAM/SDRAM用于程序變量等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（這是可選的）。
- 跳轉(zhuǎn)到C庫(kù)中的 __main ，最終會(huì)調(diào)用用戶(hù)程序的main()函數(shù)。
Cortex-M內(nèi)核處理器復(fù)位后，處于線程模式，指令權(quán)限是特權(quán)級(jí)別（最高級(jí)別），堆棧設(shè)置為使用主堆棧MSP。
3.1 復(fù)位序列
硬件復(fù)位之后，CPU 內(nèi)的時(shí)序邏輯電路首先完成如下兩個(gè)工作（程序代碼下載到內(nèi)部flash為例，flash首地址0x0800 0000）
將0x08000000位置存放的堆棧棧頂?shù)刂反娣诺絊P中(MSP)。
將0x08000004 位置存放的向量地址裝入 PC 程序計(jì)數(shù)器。
CPU 從 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 條指令開(kāi)始執(zhí)行程序，也就是開(kāi)始執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序 Reset_Handler。
復(fù)位中斷服務(wù)程序會(huì)調(diào)用SystemInit()函數(shù)來(lái)配置系統(tǒng)時(shí)鐘、配置FMC總線上的外部SRAM/SDRAM，然后跳轉(zhuǎn)到C 庫(kù)中__main 函數(shù)。由C庫(kù)中的__main 函數(shù)完成用戶(hù)程序的初始化工作（比如：變量賦初值等），最后由__main 函數(shù)調(diào)用用戶(hù)寫(xiě)的 main()函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行 C 程序。
13.3.2 代碼分析
第1部分代碼分析
下面的代碼實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟棧(stack)空間，用于局部變量、函數(shù)調(diào)用、函數(shù)的參數(shù)等。
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack; Tailor this value to your application needs ; <h> Stack Configuration ; <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>; </h> Stack_Size EQU 0x00000400 AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3Stack_Mem SPACE Stack_Size __initial_sp
第7行：EQU 是表示宏定義的偽指令，類(lèi)似于 C 語(yǔ)言中的#define。偽指令的意思是指這個(gè)“指令”并不會(huì)生成二進(jìn)制程序代碼，也不會(huì)引起變量空間分配。
0x00000400 表示棧大小，注意這里是以字節(jié)為單位。
第9行：開(kāi)辟一段數(shù)據(jù)空間可讀可寫(xiě)，段名 STACK，按照 8 字節(jié)對(duì)齊。ARER 偽指令表示下面將開(kāi)始定義一個(gè)代碼段或者數(shù)據(jù)段。此處是定義數(shù)據(jù)段。ARER 后面的關(guān)鍵字表示這個(gè)段的屬性。
STACK ：表示這個(gè)段的名字，可以任意命名。
NOINIT：表示此數(shù)據(jù)段不需要填入初始數(shù)據(jù)。
READWRITE：表示此段可讀可寫(xiě)。
ALIGN=3 ：表示首地址按照 2 的 3 次方對(duì)齊，也就是按照 8 字節(jié)對(duì)齊(地址對(duì)8求余數(shù)等于0)。
第10行：SPACE 這行指令告訴匯編器給 STACK 段分配 0x00000400 字節(jié)的連續(xù)內(nèi)存空間。
第11行：__initial_sp 緊接著 SPACE 語(yǔ)句放置，表示了棧頂?shù)刂?。__initial_sp 只是一個(gè)標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)主要用于表示一片內(nèi)存空間的某個(gè)位置，等價(jià)于 C 語(yǔ)言中的“地址”概念。地址僅僅表示存儲(chǔ)空間的一個(gè)位置，從 C 語(yǔ)言的角度來(lái)看，變量的地址，數(shù)組的地址或是函數(shù)的入口地址在本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別。
第2部分代碼分析
下面的代碼實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟堆(heap)空間，主要用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，也就是說(shuō)用 malloc，calloc, realloc等函數(shù)分配的變量空間是在堆上。
1. ; <h> Heap Configuration2. ; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>3. ; </h>4. 5. Heap_Size EQU 0x000002006. 7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=38. __heap_base9. Heap_Mem SPACE Heap_Size10. __heap_limit
這幾行語(yǔ)句和上面第1部分代碼類(lèi)似。分配一片連續(xù)的內(nèi)存空間給名字叫 HEAP 的段，也就是分配堆空間。堆的大小為 0x00000200。
__heap_base 表示堆的開(kāi)始地址。
__heap_limit 表示堆的結(jié)束地址。
第3部分代碼分析
1. PRESERVE82. THUMB3. 4. 5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset6. AREA RESET, DATA, READONLY7. EXPORT __Vectors8. EXPORT __Vectors_End9. EXPORT __Vectors_Size
第1行：PRESERVE8 指定當(dāng)前文件保持堆棧八字節(jié)對(duì)齊。
第2行：THUMB表示后面的指令是THUMB指令集 ，CM7采用的是THUMB - 2指令集。
第6行：AREA定義一塊代碼段，只讀，段名字是 RESET。READONLY 表示只讀，缺省就表示代碼段了。
第7-9行：3 行EXPORT語(yǔ)句將 3 個(gè)標(biāo)號(hào)申明為可被外部引用， 主要提供給鏈接器用于連接庫(kù)文件或其他文件。
第4部分代碼分析
1. __Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler5. 6. 中間部分省略未寫(xiě)7. 8. DCD 0 ; Reserved 9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins 10. 11. 12. __Vectors_End13. 14. __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
上面的這段代碼是建立中斷向量表，中斷向量表定位在代碼段的最前面。具體的物理地址由鏈接器的配置參數(shù)（IROM1 的地址）決定。如果程序在 Flash 運(yùn)行，則中斷向量表的起始地址是 0x08000000。
以MDK為例，就是如下配置選項(xiàng)：
DCD 表示分配 1 個(gè) 4 字節(jié)的空間。每行 DCD 都會(huì)生成一個(gè) 4 字節(jié)的二進(jìn)制代碼。中斷向量表存放的實(shí)際上是中斷服務(wù)程序的入口地址。當(dāng)異常（也即是中斷事件）發(fā)生時(shí)，CPU 的中斷系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)的入口地址賦值給 PC 程序計(jì)數(shù)器，之后就開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。
第5部分代碼分析
1. AREA |.text|, CODE, READONLY2. 3. ; Reset handler4. Reset_Handler PROC5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]6. IMPORT SystemInit7. IMPORT __main8. 9. LDR R0, =SystemInit10. BLX R011. LDR R0, =__main12. BX R013. ENDP
第1行：AREA 定義一塊代碼段，只讀，段名字是 .text 。READONLY 表示只讀。
第4行：利用 PROC、ENDP 這一對(duì)偽指令把程序段分為若干個(gè)過(guò)程，使程序的結(jié)構(gòu)加清晰。
第5行：WEAK 聲明其他的同名標(biāo)號(hào)優(yōu)先于該標(biāo)號(hào)被引用,就是說(shuō)如果外面聲明了的話會(huì)調(diào)用外面的。這個(gè)聲明很重要，它讓我們可以在C文件中任意地方放置中斷服務(wù)程序，只要保證C函數(shù)的名字和向量表中的名字一致即可。
第6行：IMPORT：偽指令用于通知編譯器要使用的標(biāo)號(hào)在其他的源文件中定義。但要在當(dāng)前源文件中引用，而且無(wú)論當(dāng)前源文件是否引用該標(biāo)號(hào)，該標(biāo)號(hào)均會(huì)被加入到當(dāng)前源文件的符號(hào)表中。
第9行：SystemInit 函數(shù)在文件system_stm32h7xx.c 里面，主要實(shí)現(xiàn)RCC相關(guān)寄存器復(fù)位和中斷向量表位置設(shè)置。
第11行：__main 標(biāo)號(hào)表示C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)函數(shù)里的一個(gè)初始化子程序__main 的入口地址。該程序的一個(gè)主要作用是初始化堆棧(跳轉(zhuǎn)__user_initial_stackheap 標(biāo)號(hào)進(jìn)行初始化堆棧的，下面會(huì)講到這個(gè)標(biāo)號(hào))，并初始化映像文件，最后跳轉(zhuǎn)到 C 程序中的 main函數(shù)。這就解釋了為何所有的 C 程序必須有一個(gè) main 函數(shù)作為程序的起點(diǎn)。因?yàn)檫@是由 C/C++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)庫(kù)所規(guī)，并且不能更改。
第6部分代碼分析
代碼如下：
1. ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)2. 3. NMI_Handler PROC4. EXPORT NMI_Handler [WEAK]5. B . 6. ENDP7. HardFault_Handler8. PROC9. EXPORT HardFault_Handler [WEAK]10. B .11. ENDP12. 13. 中間部分省略未寫(xiě)14. Default_Handler PROC 15. 16. EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK] 17. EXPORT PVD_AVD_IRQHandler [WEAK] 18. EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]19. 中間部分省略未寫(xiě)20. SAI4_IRQHandler 21. WAKEUP_PIN_IRQHandler22. 23. B .24. 25. ENDP26. 27. ALIGN
第5行：死循環(huán)，用戶(hù)可以在此實(shí)現(xiàn)自己的中斷服務(wù)程序。不過(guò)很少在這里實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序，一般多是在其它的C文件里面重新寫(xiě)一個(gè)同樣名字的中斷服務(wù)程序，因?yàn)檫@里是WEEK弱定義的。如果沒(méi)有在其它文件中寫(xiě)中斷服務(wù)器程序，且使能了此中斷，進(jìn)入到這里后，會(huì)讓程序卡在這個(gè)地方。
第14行：缺省中斷服務(wù)程序（開(kāi)始）
第23行：死循環(huán)，如果用戶(hù)使能中斷服務(wù)程序，而沒(méi)有在C文件里面寫(xiě)中斷服務(wù)程序的話，都會(huì)進(jìn)入到這里。比如在程序里面使能了串口1中斷，而沒(méi)有寫(xiě)中斷服務(wù)程序USART1_IRQHandle，那么串口中斷來(lái)了，會(huì)進(jìn)入到這個(gè)死循環(huán)。
第25行：缺省中斷服務(wù)程序（結(jié)束）。
第7部分代碼分析
啟動(dòng)代碼的最后一部分：
1. ;*******************************************************************************2. ; User Stack and Heap initialization3. ;*******************************************************************************4. IF :DEF:__MICROLIB5. 6. EXPORT __initial_sp7. EXPORT __heap_base8. EXPORT __heap_limit9. 10. ELSE11. 12. IMPORT __use_two_region_memory13. EXPORT __user_initial_stackheap14. 15. __user_initial_stackheap16. 17. LDR R0, = Heap_Mem18. LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)19. LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)20. LDR R3, = Stack_Mem21. BX LR22. 23. ALIGN24. 25. ENDIF26. 27. END
第4行：簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)IF…….ELSE…………語(yǔ)句。如果定義了MICROLIB，那么程序是不會(huì)執(zhí)行ELSE分支的代碼。__MICROLIB可能大家并不陌生，就在MDK的Target Option里面設(shè)置。
第5行：__user_initial_stackheap將由__main函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。
MicroLib
MicroLib是MDK里面帶的微庫(kù)，針對(duì)嵌入式應(yīng)用，MicroLIB做了深度優(yōu)化，比使用C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)所需的RAM和FLASH空間都大大減小比如調(diào)用：
<math.h>，<stdlib.h>，<stdio.h>，<string.h>
更多相關(guān)知識(shí)可以地址：
http://www.keil.com/arm/microlib.asp。另外注意microlib只有庫(kù)，沒(méi)有源文件。下圖是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和微庫(kù)生成代碼的比較。
4 BOOT啟動(dòng)模式
相比F1，F(xiàn)4的啟動(dòng)方式，H7的啟動(dòng)方式更靈活些，只需一個(gè)boot引腳即可。但是一個(gè)引腳只能區(qū)分出兩個(gè)狀態(tài)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，H7專(zhuān)門(mén)配套了兩個(gè)option bytes選項(xiàng)字節(jié)配置，如此以來(lái)就可以方便設(shè)置各種存儲(chǔ)器地址了。
BOOT_ADD0和BOOT_ADD1對(duì)應(yīng)32位地址到高16位，這點(diǎn)要特別注意。通過(guò)這兩個(gè)選項(xiàng)字節(jié)，所有0x0000 0000到0x3FFF 0000的存儲(chǔ)器地址都可以設(shè)置，包括：
所有Flash地址空間。
所有RAM地址空間，ITCM，DTCM和SRAM。
設(shè)置了選項(xiàng)字節(jié)后，掉電不會(huì)丟失，下次上電或者復(fù)位后，會(huì)根據(jù)BOOT引腳狀態(tài)從BOOT_ADD0，或BOOT_ADD1所設(shè)置的地址進(jìn)行啟動(dòng)。
使用BOOT功能，注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
如果用戶(hù)不慎，設(shè)置的地址范圍不在有效的存儲(chǔ)器地址，那么BOOT = 0時(shí)，會(huì)從Flash首地址0x0800 0000啟動(dòng)，BOOT = 1時(shí)，會(huì)從ITCM首地址0x0000 0000啟動(dòng)。
如果用戶(hù)使能了Flash Level 2保護(hù)，那么只能從Flash地址空間進(jìn)行啟動(dòng)。
F1,F4的啟動(dòng)方式
作為對(duì)比，這里補(bǔ)充F1，F(xiàn)4的啟動(dòng)方式，由BOOT0和BOOT1引腳共同決定。
5 總結(jié)
本章節(jié)講解的啟動(dòng)過(guò)程分析還是比較重要的，忘初學(xué)者務(wù)必掌握。
評(píng)論