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STM32上电启动过程分析

2024-09-18 来源:elecfans

单片机上电后执行的第一段代码

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        1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp


        2.初始化 PC 指针=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。


        在正式讲解之前,我们需要了解STM32的启动模式。


STM32的启动模式


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        手册可以在Keil中跳转查看


STM32的三种启动模式

        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 memory)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


        从系统存储器启动(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF),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(Embedded 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。


        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:

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总结 

        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。


STM32的启动文件分析

        因为单片机上电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。我用CubeMX生成的的启动文件是startup_stm32f103xb.s,不管使用标准库还是使用HAL库,启动文件都是差不多的。


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。

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3. 向量表

        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

        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

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        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。

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