《嵌入式 - 深入剖析STM32》STM32 启动流程详解(GCC)

Posted 2023-02-23 Bruceoxl

开发环境：
处理器：STM32F103
GCC：10.3.1

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。

深入理解ARM寄存器

ARM汇编入门

Keil反编译入门(一)
Keil反编译入门(二)

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.初始化栈顶指针sp，进入C程序需要先设置栈地址，因为是通过函数调用进入C程序，需要用到栈空间。
2.设置PC指针
3.将Flash的data段拷贝到RAM中
4.配置系统时钟
5.调用 C 库函数_libc_init_array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。

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(0x0800 0000-0x0807 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：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。
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(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，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。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。

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。如下表所示。

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。

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。当然还有一个链接文件，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。值得注意的是，对于MDK，也有相应的内存管理文件，只是MDK去做这个事情了，也就是sct分段加载。

启动文件主要有三个部分：定义各个内存地址，Reset_Handler函数，中断向量表。

第32行：指明CPU的类型，这里的CPU核是Cortex-M。
第33行：表明浮点运算的类型，Cortex-M没有硬件FPU单元，因此这里是软件FPU。
第34行：指定了指令的类型为thumb。

第41行：data段地址的变量。
第43行：data段的起始地址。
第45行：data段的结束地址。
第47行：bss段的起始地址。
第49行：bss段的结束地址。

第61-62行：定义新的代码段，并申明为weak函数。
第63行：将Reset_Handler声明为函数。
第67-69行：设置data段、bss段的地址
第71行：复制data段到RAM中

以上就是将Flash中的data段复制到RAM的整个过程，另外还有bss段的清零工作。

接下来就是进入C空间前做的一些准备。

第98行：初始化系统时钟。
第100行：初始化lib库
第102行：跳转main函数。

最后就是中断向量表的内容。

以上函数只是weak函数，并没有函数实体，如果外部有中断触发但是没有进入中断函数，会发现代码卡在了Default_Handler函数里。因为外部没有定义同名函数，则都运行缺省 Default_Handler 函数。

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

startup_stm32f103xe.s文件是系统的启动文件，主要包括堆和栈的初始化配置、中断向量表的配置以及将程序引导到main( )函数等。

startup_stm32f103xe.s主要完成三个工作：栈和堆的初始化、定位中断向量表、调用Reset Handler。

3 STM32的启动流程实例分析

3.1 Bootloader的作用

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。

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。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。同样，STM32微控制器，无论是MDK还是IAR开发环境，ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件。
启动文件中首先会定义堆栈，定义中断/异常向量表，而其中只实现了复位的异常处理函数Reset_Handler，该函数其主要功能除了初始化时钟，FPU等，还会执行一个重要功能，那就是内存的搬移、初始化操作。

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行，但是.data段和.bss段由于会涉及读写为了，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。
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。

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。

3.2 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= 0x2001 0000，PC = 0x0800 0D95。

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 设置系统时钟

细心的朋友可能发现，PC=0x0800 0D95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 0x0800 0D95，并执行SystemInit函数初始化系统时钟。

接下来就会进入SystemInit函数中。

SystemInit函数内容如下：

/**
  * @brief  Setup the microcontroller system
  *         Initialize the Embedded Flash Interface, the PLL and update the 
  *         SystemCoreClock variable.
  * @note   This function should be used only after reset.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SystemInit (void)

  /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state(for debug 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 Relocation in Internal SRAM. */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif 

前面部分是配置时钟的，具体参考手册吧。

最终PLL的时钟位72MHz。

这里还需要注意以下代码：

#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in 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。

3.4 初始化堆栈并进入main

执行指令bl main，然后就跳转到main函数。
当然在此之前会初始化libc。

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。

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