解析 STM32 的啟動過程

無論性能高下，結構簡繁，價格貴賤，每一種微控制器（處理器）都必須有啟動文件，啟動文件的作用便是負責執行微控制器從“復位”到“開始執行main函數”中間這段時間（稱為啟動過程）所必須進行的工作。最為常見的51，AVR或MSP430等微控制器當然也有對應啟動文件，但開發環境往往自動完整地提供了這個啟動文件，不需要開發人員再行干預啟動過程，只需要從main函數開始進行應用程序的設計即可。

話題轉到STM32微控制器，無論是keil
uvision4還是IAR EWARM開發環境，ST公司都提供了現成的直接可用的啟動文件，程序開發人員可以直接引用啟動文件后直接進行C應用程序的開發。這樣能大大減小開發人員從其它微控制器平臺跳轉至STM32平臺，也降低了適應STM32微控制器的難度（對于上一代ARM的當家花旦ARM9，啟動文件往往是第一道難啃卻又無法逾越的坎）。

相對于ARM上一代的主流ARM7/ARM9內核架構，新一代Cortex內核架構的啟動方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內核的控制器在復位后，CPU會從存儲空間的絕對地址0x000000取出第一條指令執行復位中斷服務程序的方式啟動，即固定了復位后的起始地址為0x000000（PC = 0x000000）同時中斷向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M3內核則正好相反，有3種情況:
1、通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于SRAM區，即起始地址為0x2000000，同時復位后PC指針位于0x2000000處；
2、通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于FLASH區，即起始地址為0x8000000，同時復位后PC指針位于0x8000000處；
3、通過boot引腳設置可以將中斷向量表定位于內置Bootloader區，本文不對這種情況做論述；
而Cortex-M3內核規定，起始地址必須存放堆頂指針，而第二個地址則必須存放復位中斷入口向量地址，這樣在Cortex-M3內核復位后，會自動從起始地址的下一個32位空間取出復位中斷入口向量，跳轉執行復位中斷服務程序。對比ARM7/ARM9內核，Cortex-M3內核則是固定了中斷向量表的位置而起始地址是可變化的。
有了上述準備只是后，下面以STM32的2.02固件庫提供的啟動文件“stm32f10x_vector.s”為模板，對STM32的啟動過程做一個簡要而全面的解析。
程序清單一：
；文件“stm32f10x_vector.s”，其中注釋為行號
DATA_IN_ExtSRAM EQU 0；1
Stack_Size EQU 0x00000400；2
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3；3
Stack_Mem SPACE Stack_Size；4
__initial_sp；5
Heap_Size EQU 0x00000400；6
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3；7
__heap_base；8
Heap_Mem SPACE Heap_Size；9
__heap_limit；10
THUMB；11
PRESERVE8；12
IMPORT NMIException；13
IMPORT HardFaultException；14
IMPORT MemManageException；15
IMPORT BusFaultException；16
IMPORT UsageFaultException；17
IMPORT SVCHandler；18
IMPORT DebugMonitor；19
IMPORT PendSVC；20
IMPORT SysTickHandler；21
IMPORT WWDG_IRQHandler；22
IMPORT PVD_IRQHandler；23
IMPORT TAMPER_IRQHandler；24
IMPORT RTC_IRQHandler；25
IMPORT FLASH_IRQHandler；26
IMPORT RCC_IRQHandler；27
IMPORT EXTI0_IRQHandler；28
IMPORT EXTI1_IRQHandler；29
IMPORT EXTI2_IRQHandler；30
IMPORT EXTI3_IRQHandler；31
IMPORT EXTI4_IRQHandler；32
IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler；33
IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler；34
IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler；35
IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler；36
IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler；37
IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler；38
IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler；39
IMPORT ADC1_2_IRQHandler；40
IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler；41
IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler；42
IMPORT CAN_RX1_IRQHandler；43
IMPORT CAN_SCE_IRQHandler；44
IMPORT EXTI9_5_IRQHandler；45
IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler；46
IMPORT TIM1_UP_IRQHandler；47
IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler；48
IMPORT TIM1_CC_IRQHandler；49
IMPORT TIM2_IRQHandler；50
IMPORT TIM3_IRQHandler；51
IMPORT TIM4_IRQHandler；52
IMPORT I2C1_EV_IRQHandler；53
IMPORT I2C1_ER_IRQHandler；54
IMPORT I2C2_EV_IRQHandler；55
IMPORT I2C2_ER_IRQHandler；56
IMPORT SPI1_IRQHandler；57
IMPORT SPI2_IRQHandler；58
IMPORT USART1_IRQHandler；59
IMPORT USART2_IRQHandler；60
IMPORT USART3_IRQHandler；61
IMPORT EXTI15_10_IRQHandler；62
IMPORT RTCAlarm_IRQHandler；63
IMPORT USBWakeUp_IRQHandler；64
IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler；65
IMPORT TIM8_UP_IRQHandler；66
IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler；67
IMPORT TIM8_CC_IRQHandler；68
IMPORT ADC3_IRQHandler；69
IMPORT FSMC_IRQHandler；70
IMPORT SDIO_IRQHandler；71
IMPORT TIM5_IRQHandler；72
IMPORT SPI3_IRQHandler；73
IMPORT UART4_IRQHandler；74
IMPORT UART5_IRQHandler；75
IMPORT TIM6_IRQHandler；76
IMPORT TIM7_IRQHandler；77
IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler；78
IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler；79
IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler；80
IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler；81
AREA RESET, DATA, READONLY；82
EXPORT __Vectors；83
__Vectors；84
DCD __initial_sp；85
DCD Reset_Handler；86
DCD NMIException；87
DCD HardFaultException；88
DCD MemManageException；89
DCD BusFaultException；90
DCD UsageFaultException；91
DCD 0；92
DCD 0；93
DCD 0；94
DCD 0；95
DCD SVCHandler；96
DCD DebugMonitor；97
DCD 0；98
DCD PendSVC；99
DCD SysTickHandler；100
DCD WWDG_IRQHandler；101
DCD PVD_IRQHandler；102
DCD TAMPER_IRQHandler；103
DCD RTC_IRQHandler；104
DCD FLASH_IRQHandler；105
DCD RCC_IRQHandler；106
DCD EXTI0_IRQHandler；107
DCD EXTI1_IRQHandler；108
DCD EXTI2_IRQHandler；109
DCD EXTI3_IRQHandler；110
DCD EXTI4_IRQHandler；111
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler；112
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler；113
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler；114
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler；115
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler；116
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler；117
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler；118
DCD ADC1_2_IRQHandler；119
DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler；120
DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler；121
DCD CAN_RX1_IRQHandler；122
DCD CAN_SCE_IRQHandler；123
DCD EXTI9_5_IRQHandler；124
DCD TIM1_BRK_IRQHandler；125
DCD TIM1_UP_IRQHandler；126
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler；127
DCD TIM1_CC_IRQHandler；128
DCD TIM2_IRQHandler；129
DCD TIM3_IRQHandler；130
DCD TIM4_IRQHandler；131
DCD I2C1_EV_IRQHandler；132
DCD I2C1_ER_IRQHandler；133
DCD I2C2_EV_IRQHandler；134
DCD I2C2_ER_IRQHandler；135
DCD SPI1_IRQHandler；136
DCD SPI2_IRQHandler；137
DCD USART1_IRQHandler；138
DCD USART2_IRQHandler；139
DCD USART3_IRQHandler；140
DCD EXTI15_10_IRQHandler；141
DCD RTCAlarm_IRQHandler；142
DCD USBWakeUp_IRQHandler；143
DCD TIM8_BRK_IRQHandler；144
DCD TIM8_UP_IRQHandler；145
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler；146
DCD TIM8_CC_IRQHandler；147
DCD ADC3_IRQHandler；148
DCD FSMC_IRQHandler；149
DCD SDIO_IRQHandler；150
DCD TIM5_IRQHandler；151
DCD SPI3_IRQHandler；152
DCD UART4_IRQHandler；153
DCD UART5_IRQHandler；154
DCD TIM6_IRQHandler；155
DCD TIM7_IRQHandler；156
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler；157
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler；158
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler；159
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler；160
AREA |.text|, CODE, READONLY；161
Reset_Handler PROC；162
EXPORT Reset_Handler；163
IF DATA_IN_ExtSRAM == 1；164
LDR R0,= 0x00000114；165
LDR R1,= 0x40021014；166
STR R0,[R1]；167
LDR R0,= 0x000001E0；168
LDR R1,= 0x40021018；169
STR R0,[R1]；170
LDR R0,= 0x44BB44BB；171
LDR R1,= 0x40011400；172
STR R0,[R1]；173
LDR R0,= 0xBBBBBBBB；174
LDR R1,= 0x40011404；175
STR R0,[R1]；176
LDR R0,= 0xB44444BB；177
LDR R1,= 0x40011800；178
STR R0,[R1]；179
LDR R0,= 0xBBBBBBBB；180
LDR R1,= 0x40011804；181
STR R0,[R1]；182
LDR R0,= 0x44BBBBBB；183
LDR R1,= 0x40011C00；184
STR R0,[R1]；185
LDR R0,= 0xBBBB4444；186
LDR R1,= 0x40011C04；187
STR R0,[R1]；188
LDR R0,= 0x44BBBBBB；189
LDR R1,= 0x40012000；190
STR R0,[R1]；191
LDR R0,= 0x44444B44；192
LDR R1,= 0x40012004；193
STR R0,[R1]；194
LDR R0,= 0x00001011；195
LDR R1,= 0xA0000010；196
STR R0,[R1]；197
LDR R0,= 0x00000200；198
LDR R1,= 0xA0000014；199
STR R0,[R1]；200
ENDIF；201
IMPORT __main；202
LDR R0, =__main；203
BX R0；204
ENDP；205
ALIGN；206
IF :DEF:__MICROLIB；207
EXPORT __initial_sp；208
EXPORT __heap_base；209
EXPORT __heap_limit；210
ELSE；211
IMPORT __use_two_region_memory；212
EXPORT __user_initial_stackheap；213
__user_initial_stackheap；214
LDR R0, = Heap_Mem；215
LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size)；216
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)；217
LDR R3, = Stack_Mem；218
BX LR；219
ALIGN；220
ENDIF；221
END；222
ENDIF；223
END；224
如程序清單一，STM32的啟動代碼一共224行，使用了匯編語言編寫，這其中的主要原因下文將會給出交代。現在從第一行開始分析：
?第1行：定義是否使用外部SRAM，為1則使用，為0則表示不使用。此語行若用C語言表達則等價于：
#define DATA_IN_ExtSRAM 0
?第2行：定義棧空間大小為0x00000400個字節，即1Kbyte。此語行亦等價于：
#define Stack_Size 0x00000400
?第3行：偽指令AREA，表示
?第4行：開辟一段大小為Stack_Size的內存空間作為棧。
?第5行：標號__initial_sp，表示棧空間頂地址。
?第6行：定義堆空間大小為0x00000400個字節，也為1Kbyte。
?第7行：偽指令AREA，表示
?第8行：標號__heap_base，表示堆空間起始地址。
?第9行：開辟一段大小為Heap_Size的內存空間作為堆。
?第10行：標號__heap_limit，表示堆空間結束地址。
?第11行：告訴編譯器使用THUMB指令集。
?第12行：告訴編譯器以8字節對齊。
?第13—81行：IMPORT指令，指示后續符號是在外部文件定義的（類似C語言中的全局變量聲明），而下文可能會使用到這些符號。
?第82行：定義只讀數據段，實際上是在CODE區（假設STM32從FLASH啟動，則此中斷向量表起始地址即為0x8000000）
?第83行：將標號__Vectors聲明為全局標號，這樣外部文件就可以使用這個標號。
?第84行：標號__Vectors，表示中斷向量表入口地址。
?第85—160行：建立中斷向量表。
?第161行：
?第162行：復位中斷服務程序，PROC…ENDP結構表示程序的開始和結束。
?第163行：聲明復位中斷向量Reset_Handler為全局屬性，這樣外部文件就可以調用此復位中斷服務。
?第164行：IF…ENDIF為預編譯結構，判斷是否使用外部SRAM，在第1行中已定義為“不使用”。
?第165—201行：此部分代碼的作用是設置FSMC總線以支持SRAM，因不使用外部SRAM因此此部分代碼不會被編譯。
?第202行：聲明__main標號。
?第203—204行：跳轉__main地址執行。
?第207行：IF…ELSE…ENDIF結構，判斷是否使用DEF:__MICROLIB（此處為不使用）。
?第208—210行：若使用DEF:__MICROLIB，則將__initial_sp，__heap_base，__heap_limit亦即棧頂地址，堆始末地址賦予全局屬性，使外部程序可以使用。
?第212行：定義全局標號__use_two_region_memory。
?第213行：聲明全局標號__user_initial_stackheap，這樣外程序也可調用此標號。
?第214行：標號__user_initial_stackheap，表示用戶堆棧初始化程序入口。
?第215—218行：分別保存棧頂指針和棧大小，堆始地址和堆大小至R0，R1，R2，R3寄存器。
?第224行：程序完畢。
以上便是STM32的啟動代碼的完整解析，接下來對幾個小地方做解釋：
1、AREA指令：偽指令，用于定義代碼段或數據段，后跟屬性標號。其中比較重要的一個標號為“READONLY”或者“READWRITE”，其中“READONLY”表示該段為只讀屬性，聯系到STM32的內部存儲介質，可知具有只讀屬性的段保存于FLASH區，即0x8000000地址后。而“READONLY”表示該段為“可讀寫”屬性，可知“可讀寫”段保存于SRAM區，即0x2000000地址后。由此可以從第3、7行代碼知道，堆棧段位于SRAM空間。從第82行可知，中斷向量表放置與FLASH區，而這也是整片啟動代碼中最先被放進FLASH區的數據。因此可以得到一條重要的信息：0x8000000地址存放的是棧頂地址__initial_sp，0x8000004地址存放的是復位中斷向量Reset_Handler（STM32使用32位總線，因此存儲空間為4字節對齊）。
2、DCD指令：作用是開辟一段空間，其意義等價于C語言中的地址符“&”。因此從第84行開始建立的中斷向量表則類似于使用C語言定義了一個指針數組，其每一個成員都是一個函數指針，分別指向各個中斷服務函數。
3、標號：前文多處使用了“標號”一詞。標號主要用于表示一片內存空間的某個位置，等價于C語言中的“地址”概念。地址僅僅表示存儲空間的一個位置，從C語言的角度來看，變量的地址，數組的地址或是函數的入口地址在本質上并無區別。
4、第202行中的__main標號并不表示C程序中的main函數入口地址，因此第204行也并不是跳轉至main函數開始執行C程序。__main標號表示C/C++標準實時庫函數里的一個初始化子程序__main的入口地址。該程序的一個主要作用是初始化堆棧（對于程序清單一來說則是跳轉__user_initial_stackheap標號進行初始化堆棧的），并初始化映像文件，最后跳轉C程序中的main函數。這就解釋了為何所有的C程序必須有一個main函數作為程序的起點——因為這是由C/C++標準實時庫所規定的——并且不能更改，因為C/C++標準實時庫并不對外界開發源代碼。因此，實際上在用戶可見的前提下，程序在第204行后就跳轉至.c文件中的main函數，開始執行C程序了。
至此可以總結一下STM32的啟動文件和啟動過程。首先對棧和堆的大小進行定義，并在代碼區的起始處建立中斷向量表，其第一個表項是棧頂地址，第二個表項是復位中斷服務入口地址。然后在復位中斷服務程序中跳轉??C/C++標準實時庫的__main函數，完成用戶堆棧等的初始化后，跳轉.c文件中的main函數開始執行C程序。假設STM32被設置為從內部FLASH啟動（這也是最常見的一種情況），中斷向量表起始地位為0x8000000，則棧頂地址存放于0x8000000處，而復位中斷服務入口地址存放于0x8000004處。當STM32遇到復位信號后，則從0x80000004處取出復位中斷服務入口地址，繼而執行復位中斷服務程序，然后跳轉__main函數，最后進入mian函數，來到C的世界。