stm32启动过程解析startup启动文件

1.STM32的启动过程模式

1.1 根据boot引脚决定三种启动模式

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  1. 复位后，在 SYSCLK 的第四个上升沿锁存 BOOT 引脚的值。BOOT0 为专用引脚，而 BOOT1 则与 GPIO 引脚共用。一旦完成对 BOOT1 的采样，相应 GPIO 引脚即进入空闲状态，可用于其它用途。BOOT0与BOOT1引脚的不同值指向了三种启动方式：

    • 从主Flash启动。主Flash指的是STM32的内置Flash。选择该启动模式后，内置Flash的起始地址将被重映射到0x00000000地址，代码将在该处开始执行。一般我们使用JTAG或者SWD模式下载调试程序时，就是下载到这里面，重启后也直接从这启动。
    • 从系统存储器启动。系统储存器指的是STM32的内置ROM，选择该启动模式后，内置ROM的起始地址将被重映射到0x00000000地址，代码在此处开始运行。ROM中有一段出厂预置的代码，这段代码起到一个桥的作用，允许外部通过UART/CAN或USB等将代码写入STM32的内置Flash中。这段代码也被称为ISP(In System Programing)代码，这种烧录代码的方式也被称为ISP烧录。关于ISP、ICP和IAP之间的区别将在后续章节中介绍。
    • 从嵌入式SRAM中启动。显然，该方法是在STM32的内置SRAM中启动，选择该启动模式后，内置SRAM的起始地址将被重映射到0x00000000地址，代码在此处开始运行。这种模式由于烧录程序过程中不需要擦写Flash，因此速度较快，适合调试，但是掉电丢失。

  2. 总结：不同的配置决定了，MCU将何处映射到0x00000000。从这里又可以看到一点，MCU眼里只有0x00000000。至于为啥可以从Flash（0x08000000）启动，就是因为MCU内部做了映射。从其他位置启动时同理，如第一列，从Flash启动时，原本储存在0x0800000的程序映射到0x000000位置，，如下图是STM32F4xx中文参考手册中的图，可以看到类似的表述。同时，在下图中也展示了STM32F4xx中统一编址下，各内存的地址分配，注意一点，即使相应的内存被映射到了0x00000000起始的地址，通过其原来地址依然是可以访问的。

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1.2 内存空间解释

  1. 上电序列或系统复位后，ARM处理器先从0x0000 0000地址获取栈顶值，再从0x0000 0004地址获得引导代码的基地址，然后从引导代码的基地址开始执行程序。所选引导源对应的存储空间会被映射到引导存储空间，即从0x0000 0000开始的地址空间。
  2. 如果片上SRAM（开始于0x2000 0000的存储空间）被选为引导源，用户必须在应用程序初始化代码中通过修改NVIC异常向量表和偏移地址将向量表重置到SRAM中。
  3. 当主FLASH存储器被选择作为引导源，从0x0800 0000开始的存储空间会被映射到引导存储空间。由于主FLASH存储器的Bank0或Bank1均可映射到地址0x0800 0000（通过配置SYSCFG_CFG0寄存器的FMC_SWP控制位），所以，微控制器可以使用该方法从Bank0或Bank1中启动。
  4. 为了使能引导块功能，选项字节中的BB控制位需要被置位。当该控制位被置位并且主FLASH存储器被选择作为引导源，微控制器从引导装载程序中启动并且引导装载程序跳至主FLASH存储器的Bank1中执行代码。在应用程序初始化代码中，用户必须通过修改NVIC异常向量表和偏移地址将向量表重置到Bank1基地址。

1.3 启动后bootloader做了什么？

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  1. 根据BOOT引脚确定了启动方式后，处理器进行的第二大步就是开始从0x00000000地址处开始执行代码，而该处存放的代码正是bootloader即.s启动文件，名为startup_xxxx.s，在.s启动文件中指明了向量表，默认在0x08000000处，栈顶是一个栈顶指针，之后就是Reset_handler复位中断入口向量地址等等中断服务函数向量地址，每个地址4字节，所以是从MSP偏移0x00004字节处取出Reset_Handler。
  2. bootloader，也可以叫启动文件，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。

1.3 bootloader中对内存的搬移和初始化

本节针对程序在内置Flash中启动的情况进行分析。
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  1. 我们知道烧录的镜像文件中包含只读代码段.text，已初始化数据段.data和未初始化的或者初始化为0的数据段.bss。代码段由于是只读的，所以是可以一直放在Flash中，CPU通过总线去读取代码执行就OK，但是.data段和.bss段由于会涉及读写，为了更高的读写效率是要一定搬到RAM中执行的，因此bootloader会执行很重要的一步，就是会在RAM中初始化.data和.bss段，搬移或清空相应内存区域。
  2. 因此我们知道，当启动方式选择的是从内置Flash启动的时候，代码依旧是在Flash中执行，而数据则会被拷贝到内部SRAM中，该过程是由bootloader完成的。bootloader在完成这些流程之后，就会将代码交给main函数开始执行用户代码。

1.4 ISP、IAP、ICP三种烧录方式

  • 虽然这个小节稍稍偏题，但是由于上面在3中启动方式中介绍过了ISP烧录，因此一并在此介绍剩下的两种烧录方式。

    1. ICP(In Circuit Programing)。在电路编程，可通过CPU的Debug Access Port 烧录代码，比如ARM Cortex的Debug Interface主要是SWD(Serial Wire Debug)或JTAG(Joint Test Action Group)；
    2. ISP(In System Programing)。在系统编程，可借助MCU厂商预置的Bootloader 实现通过板载UART或USB接口烧录代码。
    3. IAP(In Applicating Programing)。在应用编程，由开发者实现Bootloader功能，比如STM32存储映射Code分区中的Flash本是存储用户应用程序的区间（上电从此处执行用户代码），开发者可以将自己实现的Bootloader存放到Flash区间，MCU上电启动先执行用户的Bootloader代码，该代码可为用户应用程序的下载、校验、增量/补丁更新、升级、恢复等提供支持，如果用户代码提供了网络访问功能，IAP 还能通过无线网络下载更新代码，实现OTA空中升级功能。

  • IAP和ISP 的区别。
    a、ISP程序一般是芯片厂家提供的。IAP一般是用户自己编写的
    b、ISP一般支持的烧录方式有限，只有串口等。IAP就比较灵活，可以灵活的使用各种通信协议烧录
    c、isp一般需要芯片进行一些硬件上的操作才行，IAP全部工作由程序完成，不需要去现场
    d、isp一般只需要按格式将升级文件通过串口发送就可以。IAP的话控制相对麻烦，如果是OTA的话还需要编写后台的。
    e、注意，这里介绍的bootloader功能显然跟之前介绍的启动文件bootloader有所区别，其目的是为了能接受外部镜像进行烧录，而不是为了运行普通用户程序。

2.启动文件startup_xxx.s（非GCC环境）

2.1 主要功能

  1. 在此我使用stm32f103-keil环境的启动文件startup_stm32f103xb.s为例进行简单的表述。startup_stm32f103xb.s是上电后执行的第一段代码：
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  2. 可看到该程序执行内容是：
1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp
2.初始化 PC 指针=Reset_Handler;并实现了复位的异常处理函数Reset_Handler
3.初始化中断向量表
4.配置系统时钟
5.调用 C 库函数_main 初始化用户堆栈，然后进入 main 函数。

2.2启动文件内容分析

0. 启动文件涉及的几个汇编命令
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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。
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第32行：表示开辟栈的大小为 0X400（1KB），EQU是伪指令，相当于C 中的 define。
第34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35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。
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  • 开辟堆的大小为 0X200（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。
  • PRESERVE8用于指定当前文件的堆栈按照8字节对齐，THUMB表示后面的指令兼容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. 向量表
    * Cortex-M3 内核规定，起始地址必须存放栈顶指针，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。Cortex-M3 内核固定了中断向量表的位置, 但是起始地址是可变化的,__initial_sp就是栈顶指针。
    * 向量表是一个WORD（ 32 ）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。
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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。
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121行：__Vectors_End 为向量表结束地址。
第123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。

4. 复位程序Reset_Handler
* 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。
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第128行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。
第129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130-131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132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133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134行：和132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135行：和133稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。
第136行：和PROC是对应的，表示程序的结束。

5. 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。
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    6. 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
      *

    • 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。

    • 如果没有定义 __MICROLIB ， 则采用双段存储器模式，即堆区和栈区是分开的（如果不采用双段模式，因为堆和栈增长的方向是相反的，如果撞上了，程序会崩溃），且声明标号__user_initial_stackheap 具有全局属性，让用户自己来初始化堆栈。

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以上就是Startup文件全部内容

3.启动文件分析（GCC环境）

GCC环境下STM32 的启动出除了需要 startup_xxxx.s 文件，还需要一个链接文件 .ld 文件：
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3.1 .ld 链接文件

先从STM32L051C8Tx_FLASH.ld 文件来看，链接文件主要制定了入口函数，堆栈大小和数据段的整体布局。

3.1.1 开辟栈空间和堆空间

指定入口地址，开辟栈空间和堆空间：
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第53行：指定入口地址为Reset_Handler复位中断
第56行：最大的RAM地址
第58-59行：指定堆、栈大小

3.1.2 指定布局

指定各数据段的布局：
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第69行：输出文件布局
第72-79行：向量表，放在最前面
第80-94行：制定text段，存放代码
第97-103行：只读数据段

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第134行：保存.data的地址
第137-146行：指定数据段在RAM中，只是刚开始保存在FLASH中，启动的时候拷贝到RAM
第150-162行：指定.bss段
第165-173行：最后根据前面定义的堆栈大小指定堆栈段

3.2 .s启动文件

3.2.1 基本说明

startup_stm32l051xx.s开头部分是基本说明：
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第29行：CPU类型
第44行：thumb指令集
第38-46行：_sidata保存.data地址的变量，_sdata保存.data段的起始地址， _edata保存.data段的结束地址， _sbss保存.bss起始地址， _ebss保存.bss结束，这几个都在链接文件中定义

3.2.2 Reset_Handler

  • Reset_Handler 是程序最开始执行的地方，设置栈顶指针：
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第58-60行：.section设置新的代码段，.weak申明，.type将Reset_Handler指定为函数
第64行：系统初始化时钟
第67-70行：将.data段从flash放到RAM中去

3.2.3 跳转到SystemInit 和 main

回过头来看一下前面讲到的启动文件所做的工作：

设置堆栈指针 SP = _initial_sp
设置PC指针 = Reset_Handler
配置系统时钟
配置外部 SRAM 用于程序变量等数据存储（可选）
调用C库的 _main 函数，最终调用main函数

最终这里也是跳转到了main函数：

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3.2.4 中断向量表部分

  • _estack是栈顶的值，这个值保存在flash的0地址出，flash的地址为0x08000000,所以0x08000000保存_estack的值，接下来就是Reset_Handler，和编译器环境中的启动文件部分一样
    在这里插入图片描述

参考

  1. https://blog.csdn.net/Setul/article/details/121685929
  2. https://jiayu.blog.csdn.net/article/details/135032170?fromshare=blogdetail&sharetype=blogdetail&sharerId=135032170&sharerefer=PC&sharesource=tao_sc&sharefrom=from_link
  3. https://blog.csdn.net/zhuimeng_ruili/article/details/119709888
  4. https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/120656722?fromshare=blogdetail&sharetype=blogdetail&sharerId=120656722&sharerefer=PC&sharesource=tao_sc&sharefrom=from_link

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