【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 ********************$ D3 _9 `' [0 Q% i3 P
;* File Name : startup_stm32h743xx.s
4 U+ ^0 t+ |5 @( F# Y1 e3 K9 N
;* @author MCD Application Team
6 T+ D6 r9 s* \. E0 G+ v. k3 |
;* version : V1.2.0$ o0 z W7 U( y& t/ D x: b
;* Date : 29-December-2017
, g0 a6 [' _) e* m: e
;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain.
; M; s6 ]0 \: O! n) @& w
;* This module performs:% y- o8 R/ s+ ~5 E1 X
;* - Set the initial SP
; H+ {9 N0 d0 Q9 C6 D" B4 m
;* - Set the initial PC == Reset_Handler' T1 }& O( I7 s* v6 Q' a
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address6 d6 U' t! h+ b9 R
;* - Branches to __main in the C library (which eventually6 ~2 u; T: u$ Q/ F& n; d1 r E
;* calls main()).
, j6 A5 D: D" `/ B% `. U% B
;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,. z3 ^7 R$ r& f4 L3 d. |/ G a
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.
1 s; X8 Q% w$ Y0 D, S7 \
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> " ^ X3 F7 Y% F6 P1 U6 R6 g
;*******************************************************************************' h$ Y: H% ]" z
; & h( c8 R* c8 z& H* n% p6 x
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");
8 c2 M9 |8 C2 L/ O' Y* p8 E9 V
; You may not use this file except in compliance with the License.) V% e3 B; |6 B& h9 d) i) V
; You may obtain a copy of the License at:8 Y4 K3 ?/ T/ D S7 w$ Z* s, O7 N7 T
; % D/ D, C" h+ p
; <a href="http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2" target="_blank">http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2</a>& Y( V6 |1 W% d( q! X
;
x* Q" [4 w' N" r! q2 @ ?
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
" Q* B1 S" e. K0 f
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
3 v+ s- }. q; j$ V% C+ P9 ?
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
# S1 N2 s! L; q. n+ v9 m9 H& @
; See the License for the specific language governing permissions and! L. |, q& S4 J
; limitations under the License.* U5 p. w$ e; \. A# G) p5 P" F3 T
; ; S- a% n. i- o3 H% h1 a. o
;*******************************************************************************

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& z0 G0 x: q- R4 D3 [
2. ; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
" u3 ~' @ Y) u5 e1 F; b6 B8 J
3. ; </h>8 k0 Y3 i6 y; b5 Q
4. ; z; g$ x% c* \2 v# \
5. Heap_Size EQU 0x00000200
5 f6 P- M9 W0 R e
6. . b* ?8 ]" @! f
7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
' T* `8 n. ]4 \4 A6 g
8. __heap_base
7 J8 X8 w' h6 k% I( o4 O
9. Heap_Mem SPACE Heap_Size
/ B) ]' W1 m. D( |. C' C
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. PRESERVE87 c6 P) g7 W' e [, a( c
2. THUMB
0 _! k& L/ |3 P. ?# @* V3 S
3. ; V, M" I3 I) o) X) W3 l
4. . w- ?6 b9 q6 N2 V$ a' m
5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset+ z- G, X/ n1 j
6. AREA RESET, DATA, READONLY% s$ t6 F0 m: |, C, x4 s
7. EXPORT __Vectors
" U3 p/ a2 p, i, `0 Y' l
8. EXPORT __Vectors_End- A( N% H$ Y: {; S% o/ x
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 Stack2 Q& D. J0 W, o/ h
2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler9 t# K' X1 y" E: |; o T
3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler
2 M% D: s- A+ D8 }2 Z+ T
4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler5 Y/ w) h" s( g/ X
5.
- \) O' G8 ^7 q2 n; C, \
6. 中间部分省略未写
0 p) ~4 L' j5 F
7. ! Y* h* X+ |6 k* ?) y
8. DCD 0 ; Reserved
# U+ l% U$ O/ V! c1 V) ]
9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins
% Y7 [! Y% Z' a i# J/ a- t, U
10.
$ }6 `2 T/ w9 F, c% _
11. * Z+ I6 [* l% A! I' h
12. __Vectors_End& P5 `* y0 x( ~& ~/ u& z+ {
13.
, L+ r: q- {$ {+ w0 @7 \+ g
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 i+ O( A/ n0 G. {. N! a8 S- g
2.
2 g/ u" U/ j2 ]/ J* Q, X
3. ; Reset handler
7 _: w+ f; d# z( A) o# {9 Y9 N3 Z* [
4. Reset_Handler PROC
6 {; W6 G# _& G; B2 r
5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]. j/ {* _ u2 g1 R+ @# r& p! [9 x
6. IMPORT SystemInit/ t3 f5 ^1 ~/ c) T
7. IMPORT __main
+ Q' F: b/ f! \9 [, ?6 P
8.
: ^! Y" N1 U; w0 q) N
9. LDR R0, =SystemInit. E2 ^- ~' K. o" a
10. BLX R0
~ _' | a+ C4 I
11. LDR R0, =__main
* ^+ G4 g4 {9 c
12. BX R0
) U/ y; K8 b2 ~+ r9 a: v- o" B+ T
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)# m* _# X/ P' A* q
2.
$ h/ U6 Z% D$ I7 v w' W' g# i
3. NMI_Handler PROC8 D9 _0 b" J) o5 Z# ? M$ T5 G
4. EXPORT NMI_Handler [WEAK]
- d) m+ h0 ?' z
5. B . + v) p0 \& H d& I: A
6. ENDP
( b9 c1 X9 }% k
7. HardFault_Handler\# {5 ^) i8 c; M: [ |
8. PROC
6 C- h( u: t- {& l ^
9. EXPORT HardFault_Handler [WEAK]. A" A# |4 [: y5 w- }5 Y: v1 w
10. B .+ u( \8 N- d) T* F* W1 u i
11. ENDP
$ O: e4 }. f: H" j8 J1 u1 J8 ~
12.
" S$ ^; l; F/ F/ E
13. 中间部分省略未写
0 ]) s- U. h$ s, \* G
14. Default_Handler PROC
+ {: }0 v5 B# z+ h. d* ?1 G! W
15.
! q) Y; b! c# N( O& j
16. EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
7 v8 ^. T4 S' {: }0 S0 p: y7 F+ m
17. EXPORT PVD_AVD_IRQHandler [WEAK]
+ V1 `9 k) C J3 _$ J
18. EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]
/ D/ F) @: J u0 r8 K3 A
19. 中间部分省略未写
- }6 t5 _" K: }9 Q9 C7 _. t& s
20. SAI4_IRQHandler
- t/ `/ o+ i% K$ e/ g8 Q$ f
21. WAKEUP_PIN_IRQHandler
1 g' z I @5 n% l
22.
* H9 I" A1 P$ Z- P8 r
23. B .
0 U0 Y& f( [1 K: X1 y
24.
4 p+ o+ t2 F S" d4 w
25. ENDP4 \) [ g# X, ]9 H7 Q
26. " e+ _3 N- E5 o- y
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. ;******************************************************************************* " y: Y1 S' ~6 u& L! [( z
2. ; User Stack and Heap initialization s1 H; h/ |3 m- Z) z' _8 f
3. ;*******************************************************************************
/ W: U; T- `' f) J: { `% P% ]
4. IF :DEF:__MICROLIB ( R- { T3 o6 x8 Q& e
5. J% B9 J1 a' V0 v4 p7 ^1 b! X6 m$ G
6. EXPORT __initial_sp ) B# F: Y4 X7 k) S, C( l
7. EXPORT __heap_base
1 |& X: I# P3 S/ j
8. EXPORT __heap_limit
* s( j. V( k- @- g5 F# A9 y
9. ! M4 L( i9 V% K: ^+ s
10. ELSE 5 T9 O2 w7 g- g/ x9 O7 e
11. 2 Q5 W' e- @2 v4 a: v
12. IMPORT __use_two_region_memory . G: G3 u3 `) B, M
13. EXPORT __user_initial_stackheap ! k6 X% }% B. L0 p! N2 o7 t% @
14.
0 |, H+ b1 [9 H
15. __user_initial_stackheap 4 @2 r; A8 P; f: n
16. 6 k; i6 P# G+ r0 I& G1 S
17. LDR R0, = Heap_Mem 2 |- |7 r( g8 y, i E: T5 q
18. LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) 19. LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) 6 `7 D- e5 H2 I, _* l
20. LDR R3, = Stack_Mem
2 P/ _: b! i5 V4 {% r8 K* X
21. BX LR 2 I" g j6 e3 {
22. ) L: u, E- B ~* _1 _+ ]8 F
23. ALIGN
7 K; m7 w$ d; k% A+ i
24.
7 _; v: S- `% ]- i( l
25. ENDIF
% Q/ ^( \$ I8 v8 l
26. : T/ U2 @) S. m- {
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。