【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 ********************6 V* A; U$ t5 c7 {5 ?8 b% B
;* File Name : startup_stm32h743xx.s
* u4 |/ n J2 [7 g" w
;* @author MCD Application Team' N0 `+ ^4 `" O! ?
;* version : V1.2.05 S/ q: Y4 P. ?
;* Date : 29-December-20173 R- Z& `0 B. ]8 c
;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain. 0 c/ G3 P) d! x3 m4 h6 [" }+ }
;* This module performs:
" x l. h2 e, [5 s E! n
;* - Set the initial SP
) Z2 R' C% a1 _. }
;* - Set the initial PC == Reset_Handler/ Q- {% Z8 @7 ~- |
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address
1 a) G0 w# x: y" `% ^- b
;* - Branches to __main in the C library (which eventually
9 \! {5 a& v/ ^' M0 L
;* calls main()).
; Z4 ^7 z ^2 e* v; ?+ L t
;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,
# K! ?) E* e9 Q" V6 j
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.' T7 m$ ^( W0 Z* {; ?! N. [2 b9 A
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> ' l2 F" z# v& f' k2 W6 d
;*******************************************************************************
, P9 I! a3 z1 L' k7 m
; 2 \9 b4 ?9 e- e7 @# y8 k3 L
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");
; e5 I" W: G9 d( x( n* Z9 _, P
; You may not use this file except in compliance with the License. L8 R2 a' u! |
; You may obtain a copy of the License at:
/ X/ Q2 h7 M; B V6 [6 E
;
: e! m$ q: o4 G1 B8 y$ ?
; <a href="http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2" target="_blank">http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2</a>
4 a2 b9 i. s, j3 H
;
; C# O9 A% z3 |, q
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
& Q9 F( ]& M8 f: v$ L
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
; Z, G, Z% r8 P6 W0 V$ v
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
! u& V- B$ y+ z, \3 m# ]3 X
; See the License for the specific language governing permissions and
; Z. @1 I+ ^- O3 y. b
; limitations under the License.
; Q4 D; d& A' a' F! X0 t
; ! k+ |6 Y6 m9 v
;*******************************************************************************

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
* G! V4 O. m# c- |9 x9 L
2. ; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>3 R% f8 Z# P0 u3 ~( W" p. g! b* D* F
3. ; </h>: c' c$ e$ Y" j& j; H
4.
0 E6 X+ f0 d0 [" O6 o. X+ ~
5. Heap_Size EQU 0x00000200& Q5 v8 e3 Z* G9 ^/ i$ ]2 f* W6 U6 z% Z. @
6.
) g* K- w/ |2 K
7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3: D5 C) L% s7 S% w5 n3 ~% q) \
8. __heap_base
* a0 I* e% i2 o. J& h7 |+ J+ }# ?
9. Heap_Mem SPACE Heap_Size
- x' l9 i0 [& Y
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. PRESERVE80 H, P0 m; K% x, `0 @; n0 p
2. THUMB8 {7 T) O( J5 @) E
3.
1 J. y* N' ^" X
4. & E+ t" E$ i0 U1 f3 E3 S9 t* m
5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
. I; z3 h5 i4 N) ~; n
6. AREA RESET, DATA, READONLY
' y0 t6 K# |. a0 P* ]
7. EXPORT __Vectors0 p+ l4 t8 r" u- A6 t2 M
8. EXPORT __Vectors_End
6 D* [) q5 ~1 ?* 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
) F8 F( H& q) x1 g: \) S7 k) N
2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler, X: @5 u9 j2 {# `; _ ^4 p' p
3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler3 C2 ~ \* n L5 P+ X
4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler/ ]$ Z: d* f4 s
5.
7 _' W% M. P1 I0 t- Z k3 F- ?
6. 中间部分省略未写6 Z. d; J- u1 a( H
7.
H) N( B4 c: K% I$ j
8. DCD 0 ; Reserved 3 V) N4 X# {' l0 P: R/ H3 b$ Q
9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins ! X8 i* R# n9 i D9 N
10. 3 r5 ]2 ?! H- i4 A% _! l
11. 5 z' ~/ u( \! M' G0 I& K
12. __Vectors_End8 x+ z# p* e: B8 s
13. 8 W; y( @# } z
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
& D) r Z- m! J) @: j3 g' C
2.
# g1 Z5 D0 |3 r
3. ; Reset handler# k* ]8 q) C l; ~; N! `4 v
4. Reset_Handler PROC
. A! S' i0 h7 A" D
5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]
% }" m8 X9 c; |! V( M% j
6. IMPORT SystemInit, ~& k( f0 X0 b6 ~; c
7. IMPORT __main
( D; U1 n; O0 ]8 f
8. - s: u e' E. T" _: K: |
9. LDR R0, =SystemInit: X7 }8 i' A( g& c$ Z
10. BLX R0. H$ z2 \! ^7 P2 m4 q" g6 q1 j
11. LDR R0, =__main
W8 Q1 _" \! g- @5 w
12. BX R03 |5 E7 S0 ^+ 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)4 z9 h1 K8 }' m# }
2. 4 x1 F- i/ [) E& d
3. NMI_Handler PROC
2 S6 s' ]$ i7 {/ m/ F/ `4 t
4. EXPORT NMI_Handler [WEAK]
2 {3 N, W, k' ?6 D8 w: m) n
5. B .
8 V& ~' r9 U; R1 E6 O+ X
6. ENDP
r9 r/ }' @0 V/ w! F
7. HardFault_Handler\
8 ]" u) q+ j p# e
8. PROC6 B1 Q8 b r( E: H2 A4 x" @
9. EXPORT HardFault_Handler [WEAK]+ q+ P% q+ N% l" B( m/ f
10. B .
- w8 F; V# G2 k6 {( n$ O: O& ~$ A4 O
11. ENDP
5 e9 x" Q9 [9 H
12. " ^% ^: D# ? l
13. 中间部分省略未写
$ _# t8 y8 @% V$ S; R/ [! m
14. Default_Handler PROC
9 c8 j2 }2 J, a, G6 A4 D: `1 w
15.
7 {) q5 _' Z6 V0 e, _5 r( I
16. EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK] * A: T6 Y X. T E- l
17. EXPORT PVD_AVD_IRQHandler [WEAK] 2 K) w& D8 r. P- q; W# K8 o8 e, M b
18. EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]
& J C1 {$ l8 }2 {
19. 中间部分省略未写4 l7 z% f- C6 q4 z9 R1 T% t4 l" _
20. SAI4_IRQHandler
2 q9 G& x- k1 S4 V/ h0 h
21. WAKEUP_PIN_IRQHandler7 V5 }& t9 q1 B! K: A9 d. H3 S
22. 2 i- ]! M0 H7 L! S5 W& b, x
23. B .% O* p+ W* K5 X6 z! m
24. 4 B1 ?9 A. x1 m0 `, |
25. ENDP! W- h: F% W% h& {: K& D
26.
3 W5 n* m2 {/ {, [& c# ~1 e
27. ALIGN

复制代码

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. ;*******************************************************************************
- ~* F. _8 r3 H. e8 G* r
2. ; User Stack and Heap initialization 5 t' F$ v) g/ m& q* }
3. ;*******************************************************************************
( X) y! D5 V5 K1 G, o5 _
4. IF :DEF:__MICROLIB % Z! n) }6 I2 X. L% W! m4 y8 t
5.
% r. D9 _% b. u* ^) F8 z
6. EXPORT __initial_sp ' W- ?( j/ y/ L/ A$ @
7. EXPORT __heap_base
* z+ I) c. y# e: x0 k. |/ a+ Y
8. EXPORT __heap_limit
8 i6 w: s! U+ Q3 e, |$ ^. F' f
9. ; W- Y" n* @6 `* @5 {
10. ELSE 3 [% \$ I) x: ~
11.
+ k# K' I+ W5 c5 h0 X( Y1 O2 Q
12. IMPORT __use_two_region_memory ) v, V( Z$ T2 L3 X( Y
13. EXPORT __user_initial_stackheap
/ f( b" \+ i0 B6 ]) W
14.
* @) A9 r C4 B% Z$ H3 k/ k" X/ ]
15. __user_initial_stackheap
+ d6 x# S: C2 q
16. : i$ ^- g \) v7 `% t
17. LDR R0, = Heap_Mem 5 i' Q$ Q, Y/ [+ v/ c, n
18. LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) 19. LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
0 h4 `$ |" B: g, I
20. LDR R3, = Stack_Mem
1 |) S8 j, n O0 |
21. BX LR 8 y' ~0 { N1 H7 l3 V7 N7 O
22.
! U, h! j9 ]# H% w; {
23. ALIGN + Z" P% { k/ G+ M1 f/ ~- A) l
24.
: F( m" ^; K# `7 \ U/ M8 ~
25. ENDIF0 H# ~9 o! h( p* Z
26.
1 }- V& H/ J0 ?
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。