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STM32上电启动过程分析

2023-08-18

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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

STM32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。

  • 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-- 0x08000304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。

    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

    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：

    调试现象如下：

    看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）

    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 = 0x0200 0810

  • PC = 0x0800 0145

    • 2、设置系统时钟

    上一步中令 PC=0x08000145的地址没有对齐，硬件自动对齐到 0x08000144，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。

    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 （BCC0x0800016e），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

  • ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset

  • AREA RESET, DATA, READONLY

  • EXPORT __Vectors

  • EXPORT __Vectors_End

  • EXPORT __Vectors_Size


  • __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


  • ; External Interrupts

  • 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 DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1

  • DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2

  • DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3

  • DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4

  • DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5

  • DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6

  • DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7

  • DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2

  • DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX

  • DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0

  • DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1

  • DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 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

  • DCD TIM8_BRK_IRQHandler ; TIM8 Break

  • DCD TIM8_UP_IRQHandler ; TIM8 Update

  • DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ; TIM8 Trigger and Commutation

  • DCD TIM8_CC_IRQHandler ; TIM8 Capture Compare

  • DCD ADC3_IRQHandler ; ADC3

  • DCD FSMC_IRQHandler ; FSMC

  • DCD SDIO_IRQHandler ; SDIO

  • DCD TIM5_IRQHandler ; TIM5

  • DCD SPI3_IRQHandler ; SPI3

  • DCD UART4_IRQHandler ; UART4

  • DCD UART5_IRQHandler ; UART5

  • DCD TIM6_IRQHandler ; TIM6

  • DCD TIM7_IRQHandler ; TIM7

  • DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1

  • DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2

  • DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3

  • DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5

  • __Vectors_End

    • 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：


  • N MI_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

    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：

  • __main:

  • 0x08000130 F000F802 BL.W __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)

  • 0x08000134 F000F83C BL.W __rt_entry_sh (0x080001B0)

  • __scatterload_rt2_thumb_only:

  • 0x08000138 A00A ADR r0,{pc}+4 ; @0x08000164

  • 0x0800013A E8900C00 LDM r0,{r10-r11}

  • 0x0800013E 4482 ADD r10,r10,r0

  • 0x08000140 4483 ADD r11,r11,r0

  • 0x08000142 F1AA0701 SUB r7,r10,#0x01

  • __scatterload_null:

  • 0x08000146 45DA CMP r10,r11

  • 0x08000148 D101 BNE 0x0800014E

  • 0x0800014A F000F831 BL.W __rt_entry_sh (0x080001B0)

  • 0x0800014E F2AF0E09 ADR.W lr,{pc}-0x07 ; @0x08000147

  • 0x08000152 E8BA000F LDM r10!,{r0-r3}

  • 0x08000156 F0130F01 TST r3,#0x01

  • 0x0800015A BF18 IT NE

  • 0x0800015C 1AFB SUBNE r3,r7,r3

  • 0x0800015E F0430301 ORR r3,r3,#0x01

  • 0x08000162 4718 BX r3

  • 0x08000164 0298 LSLS r0,r3,#10

  • 0x08000166 0000 MOVS r0,r0

  • 0x08000168 02B8 LSLS r0,r7,#10

  • 0x0800016A 0000 MOVS r0,r0

  • __scatterload_copy:

  • 0x0800016C 3A10 SUBS r2,r2,#0x10

  • 0x0800016E BF24 ITT CS

  • 0x08000170 C878 LDMCS r0!,{r3-r6}

  • 0x08000172 C178 STMCS r1!,{r3-r6}

  • 0x08000174 D8FA BHI __scatterload_copy (0x0800016C)

  • 0x08000176 0752 LSLS r2,r2,#29

  • 0x08000178 BF24 ITT CS

  • 0x0800017A C830 LDMCS r0!,{r4-r5}

  • 0x0800017C C130 STMCS r1!,{r4-r5}

  • 0x0800017E BF44 ITT MI

  • 0x08000180 6804 LDRMI r4,[r0,#0x00]

  • 0x08000182 600C STRMI r4,[r1,#0x00]

  • 0x08000184 4770 BX lr

  • 0x08000186 0000 MOVS r0,r0

  • __scatterload_zeroinit:

  • 0x08000188 2300 MOVS r3,#0x00

  • 0x0800018A 2400 MOVS r4,#0x00

  • 0x0800018C 2500 MOVS r5,#0x00

  • 0x0800018E 2600 MOVS r6,#0x00

  • 0x08000190 3A10 SUBS r2,r2,#0x10

  • 0x08000192 BF28 IT CS

  • 0x08000194 C178 STMCS r1!,{r3-r6}

  • 0x08000196 D8FB BHI 0x08000190

  • 0x08000198 0752 LSLS r2,r2,#29

  • 0x0800019A BF28 IT CS

  • 0x0800019C C130 STMCS r1!,{r4-r5}

  • 0x0800019E BF48 IT MI

  • 0x080001A0 600B STRMI r3,[r1,#0x00]

  • 0x080001A2 4770 BX lr

  • __rt_lib_init:

  • 0x080001A4 B51F PUSH {r0-r4,lr}

  • 0x080001A6 F3AF8000 NOP.W

  • __rt_lib_init_user_alloc_1:

  • 0x080001AA BD1F POP {r0-r4,pc}

  • __rt_lib_shutdown:

  • 0x080001AC B510 PUSH {r4,lr}

  • __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:

  • 0x080001AE BD10 POP {r4,pc}

  • __rt_entry_sh:

  • 0x080001B0 F000F82F BL.W __user_setup_stackheap (0x08000212)

  • 0x080001B4 4611 MOV r1,r2

  • __rt_entry_postsh_1:

  • 0x080001B6 F7FFFFF5 BL.W __rt_lib_init (0x080001A4)

  • __rt_entry_postli_1:

  • 0x080001BA F000F919 BL.W main (0x080003F0)

    • 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。

    原文：https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3719529.html

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