专家揭秘：STM32启动过程全解

电子发烧友网核心提示：本文主要阐述了STM32启动过程全面解析，包括启动过程的介绍、启动代码的陈列以及深入解析。

　　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;

　　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。
[page]
　　程序清单一：
　　;文件“stm32f10x_vector.s”，其中注释为行号
　　DATA_IN_ExtSRAM EQU
0 ;1
　　Stack_Size EQU 0x00000400 ;2
　　AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN
= 3 ;3
　　Stack_Mem SPACE Stack_Size ;4
　　__initial_sp ;5
　　Heap_Size
EQU 0x00000400 ;6
　　AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3 ;7
　　__heap_base ;8
　　Heap_Mem SPACE Heap_Size ;9
　　__heap_limit ;10
　　THUMB ;11
　　PRESERVE8 ;12
　　IMPORT NMIException ;13
　　IMPORT
HardFaultException ;14
　　IMPORT MemManageException ;15
　　IMPORT
BusFaultException ;16
　　IMPORT UsageFaultException ;17
　　IMPORT SVCHandler ;18
　　IMPORT DebugMonitor ;19
　　IMPORT PendSVC ;20
　　IMPORT
SysTickHandler ;21
　　IMPORT WWDG_IRQHandler ;22
　　IMPORT PVD_IRQHandler ;23
　　IMPORT TAMPER_IRQHandler ;24
　　IMPORT RTC_IRQHandler ;25
　　IMPORT
FLASH_IRQHandler ;26
　　IMPORT RCC_IRQHandler ;27
　　IMPORT EXTI0_IRQHandler ;28
　　IMPORT EXTI1_IRQHandler ;29
　　IMPORT EXTI2_IRQHandler ;30
　　IMPORT EXTI3_IRQHandler ;31
　　IMPORT EXTI4_IRQHandler ;32
　　IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler ;33
　　IMPORT
DMA1_Channel2_IRQHandler ;34
　　IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler ;35
　　IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler ;36
　　IMPORT
DMA1_Channel5_IRQHandler ;37
　　IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler ;38
　　IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler ;39
　　IMPORT ADC1_2_IRQHandler ;40
　　IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;41
　　IMPORT
USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;42
　　IMPORT CAN_RX1_IRQHandler ;43
　　IMPORT
CAN_SCE_IRQHandler ;44
　　IMPORT EXTI9_5_IRQHandler ;45
　　IMPORT
TIM1_BRK_IRQHandler ;46
　　IMPORT TIM1_UP_IRQHandler ;47
　　IMPORT
TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;48
　　IMPORT TIM1_CC_IRQHandler ;49
　　IMPORT
TIM2_IRQHandler ;50
　　IMPORT TIM3_IRQHandler ;51
　　IMPORT TIM4_IRQHandler ;52
　　IMPORT I2C1_EV_IRQHandler ;53
　　IMPORT I2C1_ER_IRQHandler ;54
　　IMPORT I2C2_EV_IRQHandler ;55
　　IMPORT I2C2_ER_IRQHandler ;56
　　IMPORT SPI1_IRQHandler ;57
　　IMPORT SPI2_IRQHandler ;58
　　IMPORT
USART1_IRQHandler ;59
　　IMPORT USART2_IRQHandler ;60
　　IMPORT
USART3_IRQHandler ;61
　　IMPORT EXTI15_10_IRQHandler ;62
　　IMPORT
RTCAlarm_IRQHandler ;63
　　IMPORT USBWakeUp_IRQHandler ;64
　　IMPORT
TIM8_BRK_IRQHandler ;65
　　IMPORT TIM8_UP_IRQHandler ;66
　　IMPORT
TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;67
　　IMPORT TIM8_CC_IRQHandler ;68
　　IMPORT
ADC3_IRQHandler ;69
　　IMPORT FSMC_IRQHandler ;70

[page]
　　IMPORT
SDIO_IRQHandler ;71
　　IMPORT TIM5_IRQHandler ;72
　　IMPORT SPI3_IRQHandler ;73
　　IMPORT UART4_IRQHandler ;74
　　IMPORT UART5_IRQHandler ;75
　　IMPORT TIM6_IRQHandler ;76
　　IMPORT TIM7_IRQHandler ;77
　　IMPORT
DMA2_Channel1_IRQHandler ;78
　　IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler ;79
　　IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler ;80
　　IMPORT
DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;81
　　AREA RESET, DATA, READONLY ;82
　　EXPORT
__Vectors ;83
　　__Vectors ;84
　　DCD __initial_sp ;85
　　DCD
Reset_Handler ;86
　　DCD NMIException ;87
　　DCD HardFaultException ;88
　　DCD MemManageException ;89
　　DCD BusFaultException ;90
　　DCD
UsageFaultException ;91
　　DCD 0 ;92
　　DCD 0 ;93
　　DCD 0 ;94
　　DCD 0 ;95
　　DCD SVCHandler ;96
　　DCD DebugMonitor ;97
　　DCD 0 ;98
　　DCD
PendSVC ;99
　　DCD SysTickHandler ;100
　　DCD WWDG_IRQHandler ;101
　　DCD
PVD_IRQHandler ;102
　　DCD TAMPER_IRQHandler ;103
　　DCD RTC_IRQHandler ;104
　　DCD FLASH_IRQHandler ;105
　　DCD RCC_IRQHandler ;106
　　DCD
EXTI0_IRQHandler ;107
　　DCD EXTI1_IRQHandler ;108
　　DCD EXTI2_IRQHandler ;109
　　DCD EXTI3_IRQHandler ;110
　　DCD EXTI4_IRQHandler ;111
　　DCD
DMA1_Channel1_IRQHandler ;112
　　DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ;113
　　DCD
DMA1_Channel3_IRQHandler ;114
　　DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ;115
　　DCD
DMA1_Channel5_IRQHandler ;116
　　DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ;117
　　DCD
DMA1_Channel7_IRQHandler ;118
　　DCD ADC1_2_IRQHandler ;119
　　DCD
USB_HP_CAN_TX_IRQHandler ;120
　　DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler ;121
　　DCD
CAN_RX1_IRQHandler ;122
　　DCD CAN_SCE_IRQHandler ;123
　　DCD
EXTI9_5_IRQHandler ;124
　　DCD TIM1_BRK_IRQHandler ;125
　　DCD
TIM1_UP_IRQHandler ;126
　　DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ;127
　　DCD
TIM1_CC_IRQHandler ;128
　　DCD TIM2_IRQHandler ;129
　　DCD TIM3_IRQHandler ;130
　　DCD TIM4_IRQHandler ;131
　　DCD I2C1_EV_IRQHandler ;132
　　DCD
I2C1_ER_IRQHandler ;133
　　DCD I2C2_EV_IRQHandler ;134
　　DCD
I2C2_ER_IRQHandler ;135
　　DCD SPI1_IRQHandler ;136
　　DCD SPI2_IRQHandler ;137
　　DCD USART1_IRQHandler ;138
　　DCD USART2_IRQHandler ;139
　　DCD
USART3_IRQHandler ;140
　　DCD EXTI15_10_IRQHandler ;141
　　DCD
RTCAlarm_IRQHandler ;142
　　DCD USBWakeUp_IRQHandler ;143
　　DCD
TIM8_BRK_IRQHandler ;144
　　DCD TIM8_UP_IRQHandler ;145
　　DCD
TIM8_TRG_COM_IRQHandler ;146
　　DCD TIM8_CC_IRQHandler ;147
　　DCD
ADC3_IRQHandler ;148
　　DCD FSMC_IRQHandler ;149
　　DCD SDIO_IRQHandler ;150
　　DCD TIM5_IRQHandler ;151
　　DCD SPI3_IRQHandler ;152
　　DCD
UART4_IRQHandler ;153
　　DCD UART5_IRQHandler ;154
　　DCD TIM6_IRQHandler
;155
　　DCD TIM7_IRQHandler ;156
　　DCD DMA2_Channel1_IRQHandler 157
　　DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ;158
　　DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ;159
　　DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ;160
　　AREA |.text|, CODE, READONLY ;161
　　Reset_Handler PROC ;162
　　EXPORT Reset_Handler ;163
　　IF
DATA_IN_ExtSRAM == 1 ;164
　　LDR R0,= 0x00000114 ;165
　　LDR R1,= 0x40021014 ;166
　　STR R0,[R1] ;167
　　LDR R0,= 0x000001E0 ;168
　　LDR R1,=
0x40021018 ;169
　　STR R0,[R1] ;170
　　LDR R0,= 0x44BB44BB ;171

[page]
　　LDR R1,= 0x40011400 ;172
　　STR R0,[R1] ;173
　　LDR
R0,= 0xBBBBBBBB ;174
　　LDR R1,= 0x40011404 ;175
　　STR R0,[R1] ;176
　　LDR R0,= 0xB44444BB ;177
　　LDR R1,= 0x40011800 ;178
　　STR
R0,[R1] ;179
　　LDR R0,= 0xBBBBBBBB ;180
　　LDR R1,= 0x40011804 ;181
　　STR R0,[R1] ;182
　　LDR R0,= 0x44BBBBBB ;183
　　LDR R1,=
0x40011C00 ;184
　　STR R0,[R1] ;185
　　LDR R0,= 0xBBBB4444 ;186
　　LDR
R1,= 0x40011C04 ;187
　　STR R0,[R1] ;188
　　LDR R0,= 0x44BBBBBB ;189
　　LDR R1,= 0x40012000 ;190
　　STR R0,[R1] ;191
　　LDR R0,=
0x44444B44 ;192
　　LDR R1,= 0x40012004 ;193
　　STR R0,[R1] ;194
　　LDR
R0,= 0x00001011 ;195
　　LDR R1,= 0xA0000010 ;196
　　STR R0,[R1] ;197
　　LDR R0,= 0x00000200 ;198
　　LDR R1,= 0xA0000014 ;199
　　STR
R0,[R1] ;200
　　ENDIF ;201
　　IMPORT __main ;202
　　LDR R0, =__main ;203
　　BX R0 ;204
　　ENDP ;205
　　ALIGN ;206
　　IF :DEF:__MICROLIB ;207
　　EXPORT __initial_sp ;208
　　EXPORT __heap_base ;209
　　EXPORT
__heap_limit ;210
　　ELSE ;211
　　IMPORT __use_two_region_memory ;212
　　EXPORT __user_initial_stackheap ;213
　　__user_initial_stackheap ;214
　　LDR R0, = Heap_Mem ;215
　　LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size) ;216
　　LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) ;217
　　LDR R3, = Stack_Mem ;218
　　BX LR ;219
　　ALIGN ;220
　　ENDIF ;221
　　END ;222
　　ENDIF ;223
　　END ;224

　　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
[page]

　　? 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。
[page]

　　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。