STM32上电启动过程分析（START_TEST代码实例）

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

推荐阅读深入理解MCU启动原理

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。

0x0800033c　　Flash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址

0x20000000　　加载到SRAM上的目的地址

0x0000000c　　数据段的总大小

0x080002f4　　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 = 0x02000810

PC = 0x08000145

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:

0x080001684C06 LDR r4,[pc,#24] ; @0x08000184

0x0800016A4D07 LDR r5,[pc,#28] ; @0x08000188

0x0800016C E006 B 0x0800017C

0x0800016E68E0 LDR r0,[r4,#0x0C]

0x08000170 F0400301 ORR r3,r0,#0x01

0x08000174 E8940007 LDM r4,{r0-r2}

0x080001784798 BLX r3

0x0800017A3410 ADDS r4,r4,#0x10

0x0800017C42AC 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：

0x0800016E68E0 LDR r0,[r4,#0x0C]

0x08000170 F0400301 ORR r3,r0,#0x01

0x08000174

0x080001784798 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}

0x080002F81F12 SUBS r2,r2,#4

0x080002FA C108 STM r1!,{r3}

0x080002FC2A00 CMP r2,#0x00

0x080002FE D1FA BNE 0x080002F6

0x080003004770 BX lr

__scatterload_null:

0x080003024770 BX lr

__scatterload_zeroinit:

0x080003042000 MOVS r0,#0x00

0x08000306 E001 B 0x0800030C

0x08000308 C101 STM r1!,{r0}

0x0800030A1F12 SUBS r2,r2,#4

0x0800030C2A00 CMP r2,#0x00

0x0800030E D1FB BNE 0x08000308

0x080003104770 BX lr

5、跳转到C文件的main函数

_main_init:

0x080001384800 LDR r0,[pc,#0] ; @0x0800013C

0x0800013A4700 BX r0

五、异常向量与中断向量表

; VectorTableMapped to Address0 at Reset

AREA RESET, DATA, READONLY

EXPORT __Vectors

EXPORT __Vectors_End

EXPORT __Vectors_Size

__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack

DCD Reset_Handler; ResetHandler

DCD NMI_Handler ; NMI Handler

DCD HardFault_Handler; HardFaultHandler

DCD MemManage_Handler; MPU FaultHandler

DCD BusFault_Handler; BusFaultHandler

DCD UsageFault_Handler; UsageFaultHandler

DCD 0; Reserved

DCD 0; Reserved

DCD 0; Reserved

DCD 0; Reserved

DCD SVC_Handler ; SVCallHandler

DCD DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler

DCD 0; Reserved

DCD PendSV_Handler; PendSVHandler

DCD SysTick_Handler; SysTickHandler

; ExternalInterrupts

DCD WWDG_IRQHandler ; WindowWatchdog

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 Line0

DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line1

DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line2

DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line3

DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line4

DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel1

DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel2

DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel3

DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel4

DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel5

DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel6

DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel7

DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2

DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB HighPriority or CAN1 TX

DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0

DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1

DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE

DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line9..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 CaptureCompare

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 Line15..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 CaptureCompare

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 __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}

0x0800013E4482 ADD r10,r10,r0

0x080001404483 ADD r11,r11,r0

0x08000142 F1AA0701 SUB r7,r10,#0x01

__scatterload_null:

0x0800014645DA 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

0x0800015C1AFB SUBNE r3,r7,r3

0x0800015E F0430301 ORR r3,r3,#0x01

0x080001624718 BX r3

0x080001640298 LSLS r0,r3,#10

0x080001660000 MOVS r0,r0

0x0800016802B8 LSLS r0,r7,#10

0x0800016A0000 MOVS r0,r0

__scatterload_copy:

0x0800016C3A10 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)

0x080001760752 LSLS r2,r2,#29

0x08000178 BF24 ITT CS

0x0800017A C830 LDMCS r0!,{r4-r5}

0x0800017C C130 STMCS r1!,{r4-r5}

0x0800017E BF44 ITT MI

0x080001806804 LDRMI r4,[r0,#0x00]

0x08000182600C STRMI r4,[r1,#0x00]

0x080001844770 BX lr

0x080001860000 MOVS r0,r0

__scatterload_zeroinit:

0x080001882300 MOVS r3,#0x00

0x0800018A2400 MOVS r4,#0x00

0x0800018C2500 MOVS r5,#0x00

0x0800018E2600 MOVS r6,#0x00

0x080001903A10 SUBS r2,r2,#0x10

0x08000192 BF28 IT CS

0x08000194 C178 STMCS r1!,{r3-r6}

0x08000196 D8FB BHI 0x08000190

0x080001980752 LSLS r2,r2,#29

0x0800019A BF28 IT CS

0x0800019C C130 STMCS r1!,{r4-r5}

0x0800019E BF48 IT MI

0x080001A0600B STRMI r3,[r1,#0x00]

0x080001A24770 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)

0x080001B44611 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。

编辑：黄飞