STM32整个启动过程是怎样的

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
　　STM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
　　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。
0x0800 033c　　Flash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址
0x2000 0000　　加载到SRAM上的目的地址
0x0000 000c　　数据段的总大小
0x0800 02f4　　调用函数_scatterload_copy
　　需要说明的是初始化栈的函数--0x0800 0304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 = 0x0200 0810
PC = 0x0800 0145
2、设置系统时钟





　　上一步中令PC=0x0800 0145的地址没有对齐，硬件自动对齐到0x0800 0144，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:
0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @
0x080001840x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @
0x080001880x0800016C E006      B        
0x0800017C0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
0x08000178 4798      BLX      r3
0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#
0x100x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
0x0800017E D3F6      BCC      
0x0800016E0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)   


　　这段代码是个循环（BCC 0x0800016e），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：
0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#
0x010x08000174  
0x08000178 4798      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        
0x080002FC0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
0x080002FC 2A00      CMP      r2,#
0x000x080002FE D1FA      BNE      
0x080002F60x08000300 4770      BX       lr                 __scatterload_null:
0x08000302 4770      BX       lr                 __scatterload_zeroinit:
0x08000304 2000      MOVS     r0,#
0x000x08000306 E001      B        
0x0800030C0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
0x0800030C 2A00      CMP      r2,#
0x000x0800030E D1FB      BNE      
0x080003080x08000310 4770      BX       lr   


5、跳转到C文件的main函数
                  _main_init:
0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @
0x0800013C0x0800013A 4700      BX       r0
五、异常向量与中断向量表


View Code
　　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：NMI_Handler     PROC                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]                B       .                ENDPstm32f10x_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      :DEF:__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）。