ARM Cortex-M学习笔记：Cortex-M启动流程详解

开发环境：

处理器：STM32F103

MDK：5.30

STM32立方体MX：6.0.1

对于我们常用的桌面操作系统而言，我们在开发应用时，并不关心系统的初始化，绝大多数应用程序是在操作系统运行后才开始运行的，操作系统已经提供了一个合适的运行环境，然而对于嵌入式设备而言，在设备上电后，所有的一切都需要由开发者来设置，这里处理器是没有堆栈，没有中断，更没有外围设备，这些工作是需要软件来指定的，而且不同的CPU类型、 不同大小的内存和不同种类的外设，其初始化工作都是不同的。 本文将以STMF103(基于Cortex-M3)为例进行讲解。

在开始正式讲解之前，你需要了解ARM寄存器、汇编以及反编译相关的知识，这些可以参考笔者博文。

下面我们就来具体看一下用户从Flash启动STM32的过程，主要讲解从上电复位到main函数的过程。 主要有以下步骤：

1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp，初始化 PC 指针=Reset_Handler

2.初始化中断向量表

3.配置系统时钟

4.调用 C 库函数_main 初始化用户堆栈，然后进入 main 函数。

在开始讲解之前，我们需要了解STM32的启动模式。

3.1 STM32的启动模式

首先要讲一下STM32的启动模式，因为启动模式决定了向量表的位置，STM32有三种启动模式：

1)主闪存存储器(Main Flash)启动 ：从STM32内置的Flash启动(0x08000000-0x0807 FFFF)，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面，重启后也直接从这启动程序。 以0x08000000 对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x08000000 操作，且都是操作的同一块内存。

2)系统存储器(System Memory)启动 ：从系统存储器启动(0x1FFFF000 - 0x1FFFF7FF)，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的ISP程序中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个ISP程序将用户程序下载到系统的Flash中。以0x1FFFFFF0对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x1FFFFFF0操作，且都是操作的同一块内存。

3)片上SRAM启动 ：从内置SRAM启动(0x20000000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。SRAM 只能通过0x20000000进行操作，与上述两者不同。从SRAM 启动时，需要在应用程序初始化代码中重新设置向量表的位置。

用户可以通过设置BOOT0和BOOT1的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式。如下图所示：

启动模式只决定程序烧录的位置 ，加载完程序之后会有一个重映射(映射到0x00000000地址位置)；真正产生复位信号的时候，CPU还是从开始位置执行。

值得注意的是STM32上电复位以后，代码区都是从0x00000000开始的，三种启动模式只是将各自存储空间的地址映射到0x00000000中。

3.2 STM32的启动文件分析

因为启动过程主要是由汇编完成的，因此STM32的启动的大部分内容都是在启动文件里。笔者的启动文件是startup_stm32f103xe.s，不管使用标准库还是使用HAL库，启动文件都是差不多的。

3.2.1堆栈定义

1. Stack栈

栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。 当程序较大时，需要修改栈的大小，不然可能会出现的HardFault的错误。

第33行：表示开辟栈的大小为 0X00000400（1KB），EQU是伪指令，相当于C 中的 define。

第35行：开辟一段可读可写数据空间，ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。 此处是定义数据段。 ARER 后面的关键字表示这个段的属性。 段名为STACK，可以任意命名； NOINIT 表示不初始化； READWRITE 表示可读可写，ALIGN=3，表示按照 8 字节对齐。

第36行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间，单位为字节。

第37行： __initial_sp表示栈顶地址。 栈是由高向低生长的。

2.Heap堆

堆主要用来动态内存的分配，像 malloc()函数申请的内存就在堆中。

开辟堆的大小为 0X00000200（512 字节），名字为 HEAP，NOINIT 即不初始化，可读可写，8字节对齐。 __heap_base 表示对的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。

3.2.2向量表

向量表是一个WORD（ 32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。 向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。 在复位后，该寄存器的值为 0。 因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。

值得注意的是这里有个另类： 0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值，后面会具体讲解。

......

第55行：定义一块代码段，段名字是RESET，READONLY 表示只读。

第56-58行：使用EXPORT将3个标识符申明为可被外部引用，声明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局属性。 这几个变量在Keil分散加载时会用到。

第60行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。 每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码，中断向量表存放的实际上是中断服务程序的入口地址。 当异常（也即是中断事件）发生时，CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器，之后就开始执行中断服务程序。 在60行之后，依次定义了中断服务程序的入口地址。

第138行：__Vectors_End 为向量表结束地址。

第139行：__Vectors_Size则是向量表的大小，向量表的大小是通过__Vectors 和__Vectors_End 相减得到的。

上述向量表可以在《Reference manual》中找到的，笔者这里只截取了部分。

3.2.3复位程序

复位程序是系统上电后执行的第一个程序 ，复位程序也是中断程序，只是这个程序比较特殊，因此单独提出来讲解。

第145行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。

第146行：使用EXPORT将Reset_Handler申明为可被外部引用，后面WEAK表示弱定义，如果外部文件定义了该标号则首先引用该标号，如果外部文件没有声明也不会出错。 这里表示复位程序可以由用户在其他文件重新实现，这种写法在HAL库中是很常见的。

第147-148行：表示该标号来自外部文件，SystemInit()是一个库函数，在system_stm32f1xx.c中定义的，__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，这个是由编译器完成的，该函数最终会调用我们自己写的main函数，从而进入C世界中。

第149行：这是一条汇编指令，表示从存储器中加载SystemInit到一个寄存器R0的地址中。

第150行：汇编指令，表示跳转到寄存器R0的地址，并根据寄存器的 LSE 确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到 LR。

第151行：和149行是一个意思，表示从存储器中加载__main到一个寄存器R0的地址中。

第152行：和150稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。

第153行：和PROC是对应的，表示程序的结束。

值得注意的是，这里的__main和C语言中的main()不是一样东西，__main是C lib中的函数，也就是在Keil中自带的； 而main()函数是C的入口，main()会被__main调用。

3.2.4中断服务程序

我们平时要使用哪个中断，就需要编写相应的中断服务程序，只是启动文件把这些函数留出来了，但是内容都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置罢了。

这部分没啥好说的，和服务程序类似的，只需要注意‘B .’ 语句，B表示跳转，这里跳转到一个‘.’，即表示无线循环。

3.2.5堆栈初始化

堆栈初始化是由一个IF条件来实现的，MICROLIB的定义与否决定了堆栈的初始化方式。

这个定义是在Options->Target中设置的。

如果没有定义__MICROLIB ，则会使用双段存储器模式，且声明了__user_initial_stackheap具有全局属性，这需要开发者自己来初始化堆栈。

这部分也没啥讲的，需要注意的是，ALIGN表示对指令或者数据存放的地址进行对齐，缺省表示4字节对齐。

3.2.6其他

第50行：PRESERVE8 用于指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。

第51行：THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令。 现在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集，THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超集。

3.3 STM32的启动流程实例分析

有了前面的分析，接下来就来具体看看STM32启动流程的具体内容。

3.3.1初始化SP、PC、向量表

当系统复位后，处理器首先读取向量表中的前两个字（8 个字节），第一个字存入 MSP，第二个字为复位向量，也就是程序执行的起始地址。

这里通过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，完成了复位操作，SP= 0x0200 0410，PC = 0x0800 0145。

初始化SP、PC紧接着就初始化向量表，如果感觉看HEX文件抽象，我们看看反汇编文件吧。

是不是更容易些，是不是和《Reference manual》中的向量表对应起来了。 其实看反汇编文件更好理解STM32的启动流程，只是有些抽象。

3.3.2设置系统时钟

细心的朋友可能发现，PC=0x08000145的地址是没有对齐的。 然后在反汇编文件中却是这样的：

这里是硬件自动对齐到 0x08000144，并执行SystemInit函数初始化系统时钟。

当然也可通过硬件调试来确认上面的分析：

接下来就会进入SystemInit函数中。

SystemInit函数内容如下：

/**
 * @brief  Setup themicrocontroller system
 *         Initialize the EmbeddedFlash Interface, the PLL and update the
 *         SystemCoreClockvariable.
 * @note   This function should beused only after reset.
 * @param  None
 * @retval None
 */
void SystemInit (void)
{
 /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(fordebug purpose) */
 /* Set HSION bit */
 RCC->CR |= 0x00000001U;

 /* Reset SW, HPRE, PPRE1, PPRE2, ADCPRE and MCO bits */
#if !defined(STM32F105xC)&& !defined(STM32F107xC)
 RCC->CFGR &= 0xF8FF0000U;
#else
 RCC->CFGR &= 0xF0FF0000U;
#endif /* STM32F105xC */  

 /* Reset HSEON, CSSON and PLLON bits */
 RCC->CR &= 0xFEF6FFFFU;

 /* Reset HSEBYP bit */
 RCC->CR &= 0xFFFBFFFFU;

 /* Reset PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL and USBPRE/OTGFSPRE bits */
 RCC->CFGR &= 0xFF80FFFFU;

#if defined(STM32F105xC) ||defined(STM32F107xC)
 /* Reset PLL2ON and PLL3ON bits */
 RCC->CR &= 0xEBFFFFFFU;

 /* Disable all interrupts and clear pending bits  */
 RCC->CIR = 0x00FF0000U;

 /* Reset CFGR2 register */
 RCC->CFGR2 = 0x00000000U;
#elif defined(STM32F100xB) ||defined(STM32F100xE)
 /* Disable all interrupts and clear pending bits  */
 RCC->CIR = 0x009F0000U;

 /* Reset CFGR2 register */
 RCC->CFGR2 = 0x00000000U;     
#else
 /* Disable all interrupts and clear pending bits  */
 RCC->CIR = 0x009F0000U;
#endif /* STM32F105xC */

#if defined(STM32F100xE) ||defined(STM32F101xE) || defined(STM32F101xG) || defined(STM32F103xE) ||defined(STM32F103xG)
 #ifdef DATA_IN_ExtSRAM
    SystemInit_ExtMemCtl();
 #endif /* DATA_IN_ExtSRAM */
#endif

#ifdef VECT_TAB_SRAM
 SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocationin Internal SRAM. */
#else
 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocationin Internal FLASH. */
#endif
}

前面部分是配置时钟的，具体参考手册吧，这里需要注意以下代码：

#ifdef VECT_TAB_SRAM
 SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocationin Internal SRAM. */
#else
 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocationin Internal FLASH. */
#endif

默认是没有开启VECT_TAB_SRAM，则从FLASH中启动，VTOR 寄存器存放的是中断向量表的起始地址，在IAP升级会修改这里的偏移量，后面讲解IAP升级在细讲吧。

3.3.3初始化堆栈并进入main

执行指令LDR R0, =__main，然后就跳转到__main程序段运行，当然这里指标准库的__main函数。

这中间初始化了栈区。

这段代码是个循环（BCC 0x08000192），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”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”的地址并跳转到该函数处运行。

最后就进入C文件的main函数中，至此，启动过程到此结束。

最后，总结下STM32从flash的启动流程。

MCU上电后从0x0800 0000处读取栈顶地址并保存，然后从0x0800 0004读取中断向量表的起始地址，这就是复位程序的入口地址，接着跳转到复位程序入口处，初始向量表，然后设置时钟，设置堆栈，最后跳转到C空间的main函数，即进入用户程序。