【经验分享】STM32H7启动过程详解

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STMCU小助手发布时间：2021-12-21 22:00

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文章简介:	STM32H7启动过程详解

13.1 初学者重要提示
1、如果觉得学习本章节吃力的话，推荐看我们早期做的入门视频教程第8章，同样适用于STM32H7。

2、相比F1，F4的启动方式，H7的启动方式更灵活些，只需一个boot引脚即可。但是一个引脚只能区分出两个状态，为了解决这个问题，H7专门配套了两个option bytes选项字节来解决此问题。

13.2 各个版本的启动文件介绍
这里各个版本的意思是指不同的编译器、不同的H7系列对应的启动文件。

13.2.1 不同编译器对应的启动文件
打开我们为本教程提供的工程文件，路径如下：

\Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32H7xx\Source\Templates 在这个文件里面有ST官方为各个编译器提供的启动文件。

aHR0cHM6Ly9pbWcyMDE4LmNuYmxvZ3MuY29tL2Jsb2cvMTM3OTEwNy8yMDE5MDQvMTM3OTEwNy0yMDE5.png

看了上面的截图，大家会问怎么没有KEIL MDK呢？其实已经被放在了文件夹arm里面，KEIL公司已经在2005年被ARM公司收购了。开发板大部分例程都是配套了MDK和IAR两个版本，这里重点给大家分析一下MDK的启动文件分析，IAR和MDK的大同小异。

13.2.2 不同H7系列对应的启动文件
先来看一下ARM文件夹里面的文件（2018-07-03，当前只有如下两个系列，后期ST会增加新的型号，相应的启动文件也会添加进来）：

如果是H743系列，就使用startup_stm32h743xx.s文件，如果是H753系列，就使用startup_stm32h753xx文件。当前H743和753系列对应的型号如下：

我们再来打开IAR文件夹里面的文件：

多了一个linker文件夹，用于IAR配置的ICF文件：

而启动文件跟MDK里面的一样，一个是用H743系列，另一个是用于H753系列。

13.3 启动文件分析
鉴于V7开发板使用的是STM32H743XI，下面我们详细的分析一下启动文件startup_stm32h743xx.s。分析前，先掌握一个小技能，遇到不认识的指令或者关键词可以检索。

启动 MDK软件，在Help菜单点击 uVision Help

点击后弹出如下文件

在搜索栏输入你需要查询的单词进行查询，然后点击“列出主题”按钮，会将相关的知识点都罗列出来。此功能非常实用，建议熟练掌握。

下面先来看启动文件前面的介绍（固件库版本：V1.2.0）

;******************** (C) COPYRIGHT 2017 STMicroelectronics ********************9 o: Q* m7 o8 t9 G+ B/ f
;* File Name : startup_stm32h743xx.s/ E- r) e5 o% C5 e8 {7 [, ?+ Z
;* @author MCD Application Team
5 W6 M3 K0 W5 k L) s) @. i
;* version : V1.2.00 H \3 R6 ^* b8 M1 c
;* Date : 29-December-20175 s( M7 E0 _4 i! C
;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain.
4 G$ }* q4 n6 {
;* This module performs:
[; e; o6 w0 h( i7 f& C
;* - Set the initial SP! |" F _% w# G0 P9 |6 ?
;* - Set the initial PC == Reset_Handler
( j3 C, z+ G5 w9 ^
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address6 h' M% ], E# K
;* - Branches to __main in the C library (which eventually( W. U+ s5 U F$ u3 i( l8 ]. d$ T) l4 f
;* calls main()).
, s) {7 i% x1 t% _2 x. Z
;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,
5 a; Z% k/ O' }
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.
" K: z' |$ t* d# ^5 I- X
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>>
. n. \7 e2 ~: m7 N: X1 v
;*******************************************************************************
6 W6 t' {" g2 ^6 s& ^; O* J
; 5 Q0 D$ ~2 I) x0 I/ N( q
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");
6 e' R8 ?% B5 t% P
; You may not use this file except in compliance with the License.
; G9 {# M9 A- u3 I7 t9 [
; You may obtain a copy of the License at:
6 E" z- M: a$ _; Z" V
;
- |; J; N$ z) S& B2 Y
; <a href="http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2" target="_blank">http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2</a>+ v% T0 Y" Y6 D
;
5 ? R' p* {# n( R/ G3 Z- w8 Z
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
% i9 ?0 ?! C% w5 u8 t/ d3 v
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
: c* F" M% E% v" F) C( N! j
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
3 |* t f1 }- Q6 i* o
; See the License for the specific language governing permissions and9 O4 p0 W- G9 M6 _/ t9 u% A
; limitations under the License.
& P- I S$ }& U) l$ P# H9 H8 H, h' z
;
: f& G" a9 z E. d3 q
;*******************************************************************************

复制代码

启动文件是后缀为.s的汇编语言文本文件，每行前面的分号表示此行是注释行。

启动文件主要完成如下工作，即程序执行过程：

-    设置堆栈指针SP = __initial_sp。

-    设置PC指针 = Reset_Handler。

-    设置中断向量表。

-    配置系统时钟。

-    配置外部SRAM/SDRAM用于程序变量等数据存储（这是可选的）。

-    跳转到C库中的 __main ，最终会调用用户程序的main()函数。

Cortex-M内核处理器复位后，处于线程模式，指令权限是特权级别（最高级别），堆栈设置为使用主堆栈MSP。

13.3.1 复位序列
硬件复位之后，CPU 内的时序逻辑电路首先完成如下两个工作（程序代码下载到内部flash为例，flash首地址0x0800 0000）

  将0x08000000位置存放的堆栈栈顶地址存放到SP中(MSP)。
  将0x08000004 位置存放的向量地址装入 PC 程序计数器。
CPU 从 PC 寄存器指向的物理地址取出第 1 条指令开始执行程序，也就是开始执行复位中断服务程序 Reset_Handler。

复位中断服务程序会调用SystemInit()函数来配置系统时钟、配置FMC总线上的外部SRAM/SDRAM，然后跳转到C 库中__main 函数。由C库中的__main 函数完成用户程序的初始化工作（比如：变量赋初值等），最后由__main 函数调用用户写的 main()函数开始执行 C 程序。

13.3.2 代码分析
  第1部分代码分析
下面的代码实现开辟栈(stack)空间，用于局部变量、函数调用、函数的参数等。

1.       ; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
2.       ; Tailor this value to your application needs
3.       ; <h> Stack Configuration
4.       ; <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
5.       ; </h>
6.
7.       Stack_Size    EQU    0x00000400
8.
9.                      AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
10.       Stack_Mem    SPACE Stack_Size
11.       __initial_sp
第7行：EQU 是表示宏定义的伪指令，类似于 C 语言中的#define。伪指令的意思是指这个“指令”并不会生成二进制程序代码，也不会引起变量空间分配。

0x00000400 表示栈大小，注意这里是以字节为单位。

第9行：开辟一段数据空间可读可写，段名 STACK，按照 8 字节对齐。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。

STACK ：表示这个段的名字，可以任意命名。

NOINIT：表示此数据段不需要填入初始数据。

READWRITE：表示此段可读可写。

ALIGN=3 ：表示首地址按照 2 的 3 次方对齐，也就是按照 8 字节对齐(地址对8求余数等于0)。

第10行：SPACE 这行指令告诉汇编器给 STACK 段分配 0x00000400 字节的连续内存空间。

第11行： __initial_sp 紧接着 SPACE 语句放置，表示了栈顶地址。__initial_sp 只是一个标号，标号主要用于表示一片内存空间的某个位置，等价于 C 语言中的“地址”概念。地址仅仅表示存储空间的一个位置，从 C 语言的角度来看，变量的地址，数组的地址或是函数的入口地址在本质上并无区别。

第2部分代码分析
下面的代码实现开辟堆(heap)空间，主要用于动态内存分配，也就是说用 malloc，calloc, realloc等函数分配的变量空间是在堆上。

1. ; <h> Heap Configuration
4 I6 M t4 b& {1 |) v9 k" |
2. ; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>: }/ v1 W7 Q+ s0 T/ B& h! D$ x
3. ; </h>
8 P% G$ \# U% ~" D3 d: q: z: G4 a
4.
$ m- v% H$ k u% \3 w
5. Heap_Size EQU 0x00000200+ Z+ [1 J4 y/ q% f
6.
. O! h/ h& O' X0 C& ~0 `
7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
& }2 X9 m4 ]' U" c
8. __heap_base
* @* O0 K1 X9 e1 o% {! K" c
9. Heap_Mem SPACE Heap_Size/ Z2 R1 O5 T$ N# u1 y7 w
10. __heap_limit

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这几行语句和上面第1部分代码类似。分配一片连续的内存空间给名字叫 HEAP 的段，也就是分配堆空间。堆的大小为 0x00000200。

__heap_base 表示堆的开始地址。

__heap_limit 表示堆的结束地址。

第3部分代码分析

1. PRESERVE8% u) y$ I2 w* M' Y1 h( L
2. THUMB$ o$ Q6 e) @$ {+ r, D6 t0 @" R6 I, ~
3. 5 o- H( Q F1 E- c
4. ( z9 X# Q! w5 O. H3 c$ `
5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
_% m/ V: y1 H8 x0 H2 `5 e, l! }
6. AREA RESET, DATA, READONLY
' i/ ~/ B: P- ]! W
7. EXPORT __Vectors* L5 Y! H. e9 r. D4 {# P/ ^. `3 J
8. EXPORT __Vectors_End
3 q7 S) ~# j" C0 c" F A- b
9. EXPORT __Vectors_Size

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第1行：PRESERVE8 指定当前文件保持堆栈八字节对齐。

第2行：THUMB表示后面的指令是THUMB指令集，CM7采用的是THUMB - 2指令集。

第6行：AREA定义一块代码段，只读，段名字是 RESET。READONLY 表示只读，缺省就表示代码段了。

第7-9行：3 行EXPORT语句将 3 个标号申明为可被外部引用，主要提供给链接器用于连接库文件或其他文件。

第4部分代码分析

1. __Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack# k1 ]$ s; {% |- V; E4 i5 O# l) u- y
2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler* J) t" k! z& ^- w+ {0 g
3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler
" d) ^3 `( G. U- w8 O
4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler. ?7 U) l5 o0 C, f0 s
5.
8 L- s7 T( Q) _* {; J
6. 中间部分省略未写& S0 p% V5 D7 a! i% W1 C
7.
3 |5 F1 C" W9 ^8 L4 r: g: ^
8. DCD 0 ; Reserved
0 w# |( Z; w( Q$ \' c6 p
9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins ) B( y A3 ?* L( e$ S
10. ' Z ` b- h3 J& G1 Y3 F) L% H
11.
8 j7 g% D2 J5 a. ]
12. __Vectors_End. ~1 B: W: r. \" ?
13.
# Y: L* t' }% a [
14. __Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors

复制代码

上面的这段代码是建立中断向量表，中断向量表定位在代码段的最前面。具体的物理地址由链接器的配置参数（IROM1 的地址）决定。如果程序在 Flash 运行，则中断向量表的起始地址是 0x08000000。

以MDK为例，就是如下配置选项：

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。

第5部分代码分析

1. AREA |.text|, CODE, READONLY" c/ S5 M6 P% Z8 K
2. $ Z' O7 H$ }! ?; ~! c
3. ; Reset handler0 D# H& e% ~. {- Q& j$ W
4. Reset_Handler PROC
5 t; i, N( R1 S7 Y- J+ c
5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]
) | R* X1 ^6 h4 C5 G; ]2 Q
6. IMPORT SystemInit
\9 o: q$ f9 U$ d3 d* [# i
7. IMPORT __main
A X6 V9 g7 r6 H/ G
8. 2 C4 Y; Q& b4 d1 ~& u E& }
9. LDR R0, =SystemInit
4 J" Q: T) Q$ m5 D" M1 c. d( i
10. BLX R0 t8 ^' ^7 U7 z0 J y6 |: ~
11. LDR R0, =__main
/ p6 y5 }& O- `" m) K" A8 X- \
12. BX R0
& F* o3 B( }* l7 l
13. ENDP

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第1行：AREA 定义一块代码段，只读，段名字是 .text 。READONLY 表示只读。

第4行：利用 PROC、ENDP 这一对伪指令把程序段分为若干个过程，使程序的结构加清晰。

第5行：WEAK 声明其他的同名标号优先于该标号被引用,就是说如果外面声明了的话会调用外面的。这个声明很重要，它让我们可以在C文件中任意地方放置中断服务程序，只要保证C函数的名字和向量表中的名字一致即可。

第6行：IMPORT：伪指令用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义。但要在当前源文件中引用，而且无论当前源文件是否引用该标号，该标号均会被加入到当前源文件的符号表中。

第9行：SystemInit 函数在文件system_stm32h7xx.c 里面，主要实现RCC相关寄存器复位和中断向量表位置设置。

第11行：__main 标号表示C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序__main 的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈(跳转__user_initial_stackheap 标号进行初始化堆栈的，下面会讲到这个标号)，并初始化映像文件，最后跳转到 C 程序中的 main函数。这就解释了为何所有的 C 程序必须有一个 main 函数作为程序的起点。因为这是由 C/C++标准实时库所规，并且不能更改。

第6部分代码分析
代码如下：

1. ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
0 e* H+ N- J1 I& h# Z
2. # _( O8 I9 J' Q& `* K
3. NMI_Handler PROC
# d4 F# I# @: r- j+ z z, S
4. EXPORT NMI_Handler [WEAK]7 }7 j3 K9 m. ]9 D# v, s# U2 x
5. B .
$ n. m& [0 r/ z) A' m
6. ENDP ?9 |9 `! W2 Q( M4 T
7. HardFault_Handler\7 {0 A3 M" I& Z0 {
8. PROC- S" Y6 J, U, \" M$ j
9. EXPORT HardFault_Handler [WEAK]2 n7 i6 b* H+ K
10. B .% T/ A- d( s$ r( w, W) a5 @4 ?
11. ENDP
6 ^) G. B4 C% i" s0 x
12. 7 w, X" w. {! n& Y' N# P/ C
13. 中间部分省略未写
3 A/ H2 t+ a, V( ?
14. Default_Handler PROC / h( A2 e# C! n- ]9 u- _
15.
& v6 G& G. G8 ^2 m! \2 a# a1 c
16. EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK] 2 n( J* g; `2 I7 k$ U/ j4 H& m
17. EXPORT PVD_AVD_IRQHandler [WEAK] ( t1 g9 X/ ~" }, I
18. EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]
. b" R a4 {' {3 D
19. 中间部分省略未写
/ ]! M- u4 v& G
20. SAI4_IRQHandler
+ B" [/ T! d' I$ K. W
21. WAKEUP_PIN_IRQHandler
# ?) ^0 O. H- @8 {6 w
22.
2 m5 j- |1 `, R3 j% R) ^6 a
23. B .5 ~0 } V5 U' d y9 z6 _
24.
- r# f0 j* J+ p
25. ENDP
0 t: |: x0 r/ P
26. , X4 _1 Q# z& C6 u. T) v3 c
27. ALIGN

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第5行：死循环，用户可以在此实现自己的中断服务程序。不过很少在这里实现中断服务程序，一般多是在其它的C文件里面重新写一个同样名字的中断服务程序，因为这里是WEEK弱定义的。如果没有在其它文件中写中断服务器程序，且使能了此中断，进入到这里后，会让程序卡在这个地方。

第14行：缺省中断服务程序（开始）

第23行：死循环，如果用户使能中断服务程序，而没有在C文件里面写中断服务程序的话，都会进入到这里。比如在程序里面使能了串口1中断，而没有写中断服务程序USART1_IRQHandle，那么串口中断来了，会进入到这个死循环。

第25行：缺省中断服务程序（结束）。

第7部分代码分析
启动代码的最后一部分：

1. ;******************************************************************************* 9 q3 l* A, @5 s8 k5 y
2. ; User Stack and Heap initialization
3 z" ~* X+ j: b/ L7 l# d+ Y
3. ;*******************************************************************************+ z6 Q$ k: v: ?+ C
4. IF :DEF:__MICROLIB
# Q) g0 |- W! r" a+ s' n
5.
. m& D, _8 u5 e8 o0 U% R6 t* {) p
6. EXPORT __initial_sp 0 P$ V# A ]/ u: o; I* H$ V
7. EXPORT __heap_base / ^1 i* h; B6 m6 u3 R
8. EXPORT __heap_limit
/ Q1 R# U# s$ C- V- [4 m/ a0 ~
9.
2 a/ O7 U: z4 g" m q
10. ELSE # p6 H" \- D6 w$ s
11. : I# \1 u/ g- v& F3 i' Z. Q% a
12. IMPORT __use_two_region_memory # ]9 \* r8 `' Q* k" F0 s; a
13. EXPORT __user_initial_stackheap
) g( f& ^$ R! K8 R7 s( o; Y
14.
& S" [5 B" @1 ?
15. __user_initial_stackheap
* N0 K8 j+ C5 y$ v. f: V# ?
16.
, `1 t$ v- u, P% }; U
17. LDR R0, = Heap_Mem 8 Y, K: @3 R) e' Y2 }3 I" r/ U5 S
18. LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) 19. LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
) G/ D( x5 H. c4 S# g9 K
20. LDR R3, = Stack_Mem ! F' d) I2 }; c
21. BX LR
$ B( a0 J7 [0 n8 ~
22. ( u H& A3 T) [2 O) F1 r4 s
23. ALIGN $ C' x& n( @) A" x0 ]5 `9 W
24. 7 N! B& ]' j: P: u+ L0 x+ \4 p
25. ENDIF
" N0 r. _) C( U- n4 K: T
26.
$ C& O/ }( e8 a3 B0 w: S
27. END

复制代码

第4行：简单的汇编语言实现IF…….ELSE…………语句。如果定义了MICROLIB，那么程序是不会执行ELSE分支的代码。__MICROLIB可能大家并不陌生，就在MDK的Target Option里面设置。

第5行：__user_initial_stackheap将由__main函数进行调用。

MicroLib
MicroLib是MDK里面带的微库，针对嵌入式应用，MicroLIB做了深度优化，比使用C标准库所需的RAM和FLASH空间都大大减小比如调用：

<mat h.h>，<std lib.h>，<stdi o.h>，<stri ng.h>

另外注意microlib只有库，没有源文件。下图是标准库和微库生成代码的比较。

13.4 BOOT启动模式
相比F1，F4的启动方式，H7的启动方式更灵活些，只需一个boot引脚即可。但是一个引脚只能区分出两个状态，为了解决这个问题，H7专门配套了两个option bytes选项字节配置，如此以来就可以方便设置各种存储器地址了。

BOOT_ADD0和BOOT_ADD1对应32位地址到高16位，这点要特别注意。通过这两个选项字节，所有0x0000 0000到0x3FFF 0000的存储器地址都可以设置，包括：

  所有Flash地址空间。
  所有RAM地址空间，ITCM，DTCM和SRAM。
设置了选项字节后，掉电不会丢失，下次上电或者复位后，会根据BOOT引脚状态从BOOT_ADD0，或BOOT_ADD1所设置的地址进行启动。

使用BOOT功能，注意以下几个问题：

  如果用户不慎，设置的地址范围不在有效的存储器地址，那么BOOT = 0时，会从Flash首地址0x0800 0000启动，BOOT = 1时，会从ITCM首地址0x0000 0000启动。
  如果用户使能了Flash Level 2保护，那么只能从Flash地址空间进行启动。

  F1,F4的启动方式
作为对比，这里补充F1，F4的启动方式，由BOOT0和BOOT1引脚共同决定。