解析 STM32 的启动过程

解析STM32的启动过程

当前的嵌入式应用程序开发过程里，并且C语言成为了绝大部分场合的最佳选择。如此一来main函数似乎成为了理所当然的起点——因为C程序往往从main函数开始执行。但一个经常会被忽略的问题是：微控制器（单片机）上电后，是如何寻找到并执行main函数的呢？很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址，因为使用C语言作为开发语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。相信读者都可以回答这个问题，答案也许大同小异，但肯定都有个关键词，叫“启动文件”，用英文单词来描述是“Bootloader”。

无论性能高下，结构简繁，价格贵贱，每一种微控制器（处理器）都必须有启动文件，启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间（称为启动过程）所必须进行的工作。最为常见的51，AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预启动过程，只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。

话题转到STM32微控制器，无论是keil
uvision4还是IAR EWARM开发环境，ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件，程序开发人员可以直接引用启动文件后直接进行C应用程序的开发。这样能大大减小开发人员从其它微控制器平台跳转至STM32平台，也降低了适应STM32微控制器的难度（对于上一代ARM的当家花旦ARM9，启动文件往往是第一道难啃却又无法逾越的坎）。

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。

程序清单一：
；文件“stm32f10x_vector.s”，其中注释为行号

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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

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

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，表示

第8行：标号__heap_base，表示堆空间起始地址。