簡析STM32的啟動過程

當(dāng)前的嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)過程里，C語言已成為了絕大部分場合的最佳選擇。如此一來main函數(shù)似乎成為了理所當(dāng)然的起點——因為C程序往往從main函數(shù)開始執(zhí)行。但一個經(jīng)常會被忽略的問題是：微控制器（單片機(jī)）上電后，是如何尋找到并執(zhí)行main函數(shù)的呢？很顯然微控制器無法從硬件上定位main函數(shù)的入口地址，因為使用C語言作為開發(fā)語言后，變量/函數(shù)的地址便由編譯器在編譯時自行分配，這樣一來main函數(shù)的入口地址在微控制器的內(nèi)部存儲空間中不再是絕對不變的。相信讀者都可以回答這個問題，答案也許大同小異，但肯定都有個關(guān)鍵詞，叫“啟動文件”，用英文單詞來描述是“Bootloader”。

無論性能高下，結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)執(zhí)行微控制器從“復(fù)位”到“開始執(zhí)行main函數(shù)”中間這段時間（稱為啟動過程）所必須進(jìn)行的工作。最為常見的51，AVR或MSP430等微控制器當(dāng)然也有對應(yīng)啟動文件，但開發(fā)環(huán)境往往自動完整地提供了這個啟動文件，不需要開發(fā)人員再行干預(yù)啟動過程，只需要從main函數(shù)開始進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計即可。

關(guān)于“啟動模式”

話題轉(zhuǎn)到STM32微控制器，無論是keil uvision4還是IAR EWARM開發(fā)環(huán)境，ST公司都提供了現(xiàn)成的直接可用的啟動文件，程序開發(fā)人員可以直接引用啟動文件后直接進(jìn)行C應(yīng)用程序的開發(fā)。這樣能大大減小開發(fā)人員從其它微控制器平臺跳轉(zhuǎn)至STM32平臺，也降低了適應(yīng)STM32微控制器的難度（對于上一代ARM的當(dāng)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(nèi)核架構(gòu)，新一代Cortex內(nèi)核架構(gòu)的啟動方式有了比較大的變化。ARM7/ARM9內(nèi)核的控制器在復(fù)位后，CPU會從存儲空間的絕對地址0x000000取出第一條指令執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序的方式啟動，即固定了復(fù)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(nèi)核則正好相反，有3種情況：

1、 通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于SRAM區(qū)，即起始地址為0x2000000，同時復(fù)位后PC指針位于0x2000000處；

2、 通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于FLASH區(qū)，即起始地址為0x8000000，同時復(fù)位后PC指針位于0x8000000處；

3、 通過boot引腳設(shè)置可以將中斷向量表定位于內(nèi)置Bootloader區(qū)，本文不對這種情況做論述；

Cortex-M3內(nèi)核規(guī)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(fù)位中斷入口向量地址，這樣在Cortex-M3內(nèi)核復(fù)位后，會自動從起始地址的下一個32位空間取出復(fù)位中斷入口向量，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。對比ARM7/ARM9內(nèi)核，Cortex-M3內(nèi)核則是固定了中斷向量表的位置而起始地址是可變化的。

細(xì)說STM32的啟動過程

下面就從ST的啟動文件說起，由于庫中的startup_stm32f10x_md.s與編譯環(huán)境有關(guān)，所以針對的是庫中的

STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0LibrariesCMSISCM3DeviceSupportSTSTM32F10xstartupTrueSTUDIO路徑下的文件進(jìn)行分析。

system_stm32f10x.c

SystemInit（）：在“startup_stm32f10x_xx.s”文件中被調(diào)用，功能是設(shè)置系統(tǒng)時鐘（包括時鐘源，PLL系數(shù)，AHB/APBx的預(yù)分頻系數(shù)還有 flash的設(shè)定），這個函數(shù)會在系統(tǒng)復(fù)位之后首先被執(zhí)行。文件中默認(rèn)的一些設(shè)置：允許HSE（外部時鐘），F(xiàn)LASH（允許預(yù)取緩沖區(qū)，設(shè)置2個等待周 期），PLL系數(shù)為9，開啟PLL并選擇PLL輸出作為時鐘源（SYSCLK），后續(xù)設(shè)置SYSCLK = HCLK = APB2 = 72MHz，APB1 = HCLK/2 = 36MHz，HCLK即AHB的時鐘。

SystemCoreClockUpdate（）：在系統(tǒng)時鐘HCLK變化的時候調(diào)用，以更新一個全局變量SystemCoreClock，這個變量可以為應(yīng)用程序使用，必須保證正確。默認(rèn)不調(diào)用這個函數(shù)，因為SystemCoreClock默認(rèn)被設(shè)置為設(shè)定的頻率了（72MHz）

另外，下面這種設(shè)置寄存器的方法值得借鑒，先用位名清除相應(yīng)的位，再進(jìn)行設(shè)置，例如：

#define RCC_CFGR_PLLSRC （（uint32_t）0x00010000） /*！《 PLL entry clock source */

#define RCC_CFGR_PLLXTPRE （（uint32_t）0x00020000） /*！《 HSE divider for PLL entry */

#define RCC_CFGR_PLLMULL （（uint32_t）0x003C0000） /*！《 PLLMUL［3:0］ bits （PLL mulTIplicaTIon factor） */

#define RCC_CFGR_PLLSRC_HSE （（uint32_t）0x00010000） /*！《 HSE clock selected as PLL entry clock source */

#define RCC_CFGR_PLLMULL9 （（uint32_t）0x001C0000） /*！《 PLL input clock*9 */

/* PLL configuraTIon： PLLCLK = HSE * 9 = 72 MHz */

RCC-》CFGR &= （uint32_t）（（uint32_t）~（RCC_CFGR_PLLSRC | RCC_CFGR_PLLXTPRE | RCC_CFGR_PLLMULL））;

RCC-》CFGR |= （uint32_t）（RCC_CFGR_PLLSRC_HSE | RCC_CFGR_PLLMULL9）;

startup_stm32f10x_md.s：（針對F103RBT6為中容量的產(chǎn)品）

這個文件里面首先定義了復(fù)位中斷（復(fù)位入口矢量被硬件固定在地址0x0000_0004）的處理函數(shù)：Reset_Handler，它的作用就是將保存于flash中的初始化數(shù)據(jù)復(fù)制到sram中，調(diào)用上面說到的SystemInit來初始化時鐘，接著跳轉(zhuǎn)到main執(zhí)行。

接著定義了Default_Handler， 這個是作為其他所有中斷的默認(rèn)處理函數(shù)，作用就是死循環(huán)，所以你假如開啟了某個中斷，請按照這里面的中斷函數(shù)名給它寫中斷處理函數(shù)，例如串口中斷處理函數(shù)名是 USART1_IRQHandler，你開了串口中斷，如果不重寫USART1_IRQHandler，就默認(rèn)執(zhí)行Default_Handler，死循環(huán)了。而如果你有重寫，那么中斷向量表中的處理函數(shù)的地址就會更新為你自己寫的那個函數(shù)的地址了。為什么會這樣呢？因為此文件的末尾用了類似這樣的語句：

.weak USART1_IRQHandler

.thumb_set USART1_IRQHandler，Default_Handler

它給中斷處理函數(shù)提供了弱（weak）別名（Default_Handler），如果不重寫，中斷了默認(rèn)執(zhí)行Default_Handler，如果重寫了，因為是弱別名，所以會被你寫的同名函數(shù)覆蓋。

最后定義了一個中斷向量表的段（.secTIon .isr_vector，“a”，%progbits），這個表將會放置在0x0000 0000那里，第二個字（0x0000 0004）是復(fù)位向量，復(fù)位之后從這地址所指的函數(shù)執(zhí)行。

那么，如何保證.isr_vector這個段將放在flash的最開始（0x08000000）呢？這就需要鏈接腳本了，即我們用的那個stm32_flash.ld文件了，查看一下就知道了，里面先定義了堆棧的地址：

_estack

/* Highest address of the user mode stack */

_estack = 0x20005000; /* end of 20K RAM */

接著定義了堆和棧的大?。?/p>

/* Generate a link error if heap and stack don‘t fit into RAM */

_Min_Heap_Size = 0; /* required amount of heap */

_Min_Stack_Size = 0x100; /* required amount of stack */

接著聲明了各個內(nèi)存的區(qū)域（定義了幾個代表某個線性空間的名字，如下面的FLASH）：

/* Specify the memory areas */

MEMORY

{

FLASH （rx） ： ORIGIN = 0x08000000， LENGTH = 128K

RAM （xrw） ： ORIGIN = 0x20000000， LENGTH = 20K

MEMORY_B1 （rx） ： ORIGIN = 0x60000000， LENGTH = 0K }

接著下面再介紹上面這三個名字里面都放了什么東西，首先是FLASH的：

/* Define output sections */

SECTIONS

{

/* The startup code goes first into FLASH */

.isr_vector ：

{

。 = ALIGN（4）; KEEP（*（.isr_vector）） /* Startup code */

。 = ALIGN（4）; } 》FLASH

/* The program code and other data goes into FLASH */

.text ：

{

。 = ALIGN（4）; *（.text） /* .text sections （code） */

*（.text*） /* .text* sections （code） */

*（.rodata） /* .rodata sections （constants， strings， etc.） */

*（.rodata*） /* .rodata* sections （constants， strings， etc.） */

*（.glue_7） /* glue arm to thumb code */

*（.glue_7t） /* glue thumb to arm code */

KEEP （*（.init））

KEEP （*（.fini））

。 = ALIGN（4）; _etext = 。; /* define a global symbols at end of code */

} 》FLASH

可以看到startup_stm32f10x_md.s中定義的這個段.isr_vector確實放在了最開頭的位置。

但是我們前面說復(fù)位向量在0x0000 0004，現(xiàn)在其地址是在flash中，所以地址是0x0800 0004，這個怎么回事呢？原來，stm32可以通過boot0、boot1引腳的配置將flash映射到0x0000 0000處。具體可參考stm32的用戶手冊2.4節(jié)。

從主閃存存儲器啟動（BOOT0 = 0，BOOT1 = X）：主閃存存儲器被映射到啟動空間（0x0000 0000），但仍然能夠在它原有的地址（0x0800 0000）訪問它，即閃存存儲器的內(nèi)容可以在兩個地址區(qū)域訪問，0x0000 0000或0x0800 0000。

至此，整個STM32的啟動過程以及程序結(jié)構(gòu)都可以比較清晰了。