一、概述

1、说明

　　每一款芯片的启动文件都值得去研究，因为它可是你的程序跑的最初一段路，不可以不知道。通过了解启动文件，我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容，是非常值得玩味的。

　　STM32作为一款高端Cortex-M3系列单片机，有必要了解它的启动文件。打好基础，为以后优化程序，写出高质量的代码最准备。

　　本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。

2、整体过程概括

　　STM整个启动过程是指从上电开始，一直到运行到main函数之间的这段过程，步骤为（以使用微库为例）：

①上电后硬件设置SP、PC

②设置系统时钟

③软件设置SP

④加载.data、.bss，并初始化栈区

⑤跳转到C文件的main函数

3、整个启动过程涉及的代码

　　启动过程涉及的文件不仅包含startup_stm32f10x_hd.s，还涉及到了MDK自带的连接库文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（从生成的map文件可以看出来）。

二、程序在Flash上的存储结构

　　在真正讲解启动过程之前，先要讲解程序下载到Flash上的结构和程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。

MSP初始值　　　　　　　　编译器生成，主堆栈的初始值

异常向量表　　　　　　　　不多说

外部中断向量表　　　　　　不多说

代码段　　　　　　　　　　存放代码

初始化数据段　　　　　　　.data

未初始化数据段　　　　　　.bss

加载数据段和初始化栈的参数

　　加载数据段和初始化栈的参数分别有4个，这里只讲解加载数据段的参数，至于初始化栈的参数类似。

0x0800 033c　　Flash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址

0x2000 0000　　加载到SRAM上的目的地址

0x0000 000c　　数据段的总大小

0x0800 02f4　　调用函数_scatterload_copy

　　需要说明的是初始化栈的函数--0x0800 0304与加载数据段的函数不一样，为_scatterload_zeroinit，它的目的就是将栈空间清零。

三、数据在SRAM上的结构

　　程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构

四、详细过程分析

　　有了以上的基础，现在详细分析启动过程。

1、上电后硬件设置SP、PC

　　刚上电复位后，硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定义如下：

　　调试现象如下：

　　看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）

　　硬件这时自动从0x0800 0000位置处读取数据赋给栈指针SP，然后自动从0x0800 0004位置处读取数据赋给PC，完成复位，结果为：

SP = 0x0200 0810

PC = 0x0800 0145

2、设置系统时钟

　　上一步中令PC=0x0800 0145的地址没有对齐，硬件自动对齐到0x0800 0144，执行SystemInit函数初始化系统时钟。

3、软件设置SP

1. LDR   R0,=__main　　
   
2. BX　　 R0

复制代码

　　执行上两条之类，跳转到__main程序段运行，注意不是main函数，___main的地址是0x0800 0130。

　　可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，结果SP=0x2000 0810。

4、加载.data、.bss，并初始化栈区

1. BL.W     __scatterload_rt2

复制代码

　　进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   
2. 0x08000168 4C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   
3. 0x0800016A 4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   
4. 0x0800016C E006      B        0x0800017C
   
5. 0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   
6. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   
7. 0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
   
8. 0x08000178 4798      BLX      r3
   
9. 0x0800017A 3410      ADDS     r4,r4,#0x10
   
10. 0x0800017C 42AC      CMP      r4,r5
    
11. 0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
    
12. 0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

复制代码

　　这段代码是个循环（BCC 0x0800016e），实际运行时候循环了两次。第一次运行的时候，读取“加载数据段的函数（_scatterload_copy）”的地址并跳转到该函数处运行（注意加载已初始化数据段和未初始化数据段用的是同一个函数）；第二次运行的时候，读取“初始化栈的函数（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳转到该函数处运行。 相应的代码如下：

0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x010x08000174  
0x08000178 4798      BLX      r3
　　
　　当然执行这两个函数的时候，还需要传入参数。至于参数，我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后，结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后，也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下：

1. 0x0800016E 68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   
2. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   
3. 0x08000174  
   
4. 0x08000178 4798      BLX      r3

复制代码

当然执行这两个函数的时候，还需要传入参数。至于参数，我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后，结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后，也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下：

1.                  __scatterload_copy:
   
2. 0x080002F4 E002      B        0x080002FC
   
3. 0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
   
4. 0x080002F8 1F12      SUBS     r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC 2A00      CMP      r2,#0x00
   
7. 0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
   
8. 0x08000300 4770      BX       lr
   
9.                  __scatterload_null:
   
10. 0x08000302 4770      BX       lr
    
11.                  __scatterload_zeroinit:
    
12. 0x08000304 2000      MOVS     r0,#0x00
    
13. 0x08000306 E001      B        0x0800030C
    
14. 0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
    
15. 0x0800030A 1F12      SUBS     r2,r2,#4
    
16. 0x0800030C 2A00      CMP      r2,#0x00
    
17. 0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
    
18. 0x08000310 4770      BX       lr

复制代码

5、跳转到C文件的main函数

1.                  _main_init:
   
2. 0x08000138 4800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
   
3. 0x0800013A 4700      BX       r0

复制代码

五、异常向量与中断向量表

1. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
   
2.                 AREA    RESET, DATA, READONLY
   
3.                 EXPORT  __Vectors
   
4.                 EXPORT  __Vectors_End
   
5.                 EXPORT  __Vectors_Size
   
6. 
   
7. __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
   
8.                 DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
   
9.                 DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
   
10.                 DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
    
11.                 DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
    
12.                 DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
    
13.                 DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
    
14.                 DCD     0                          ; Reserved
    
15.                 DCD     0                          ; Reserved
    
16.                 DCD     0                          ; Reserved
    
17.                 DCD     0                          ; Reserved
    
18.                 DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
    
19.                 DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
    
20.                 DCD     0                          ; Reserved
    
21.                 DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
    
22.                 DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler
    
23. 
    
24.                 ; External Interrupts
    
25.                 DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
    
26.                 DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
    
27.                 DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
    
28.                 DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
    
29.                 DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
    
30.                 DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
    
31.                 DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line 0
    
32.                 DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line 1
    
33.                 DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line 2
    
34.                 DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line 3
    
35.                 DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line 4
    
36.                 DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1
    
37.                 DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2
    
38.                 DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3
    
39.                 DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4
    
40.                 DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5
    
41.                 DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6
    
42.                 DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7
    
43.                 DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
    
44.                 DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX
    
45.                 DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0
    
46.                 DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
    
47.                 DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
    
48.                 DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line 9..5
    
49.                 DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
    
50.                 DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
    
51.                 DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
    
52.                 DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 Capture Compare
    
53.                 DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
    
54.                 DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
    
55.                 DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
    
56.                 DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
    
57.                 DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
    
58.                 DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
    
59.                 DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
    
60.                 DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
    
61.                 DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
    
62.                 DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
    
63.                 DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
    
64.                 DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
    
65.                 DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line 15..10
    
66.                 DCD     RTCAlarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
    
67.                 DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
    
68.                 DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
    
69.                 DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
    
70.                 DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
    
71.                 DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 Capture Compare
    
72.                 DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
    
73.                 DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
    
74.                 DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
    
75.                 DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
    
76.                 DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
    
77.                 DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
    
78.                 DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
    
79.                 DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
    
80.                 DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
    
81.                 DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
    
82.                 DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
    
83.                 DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
    
84.                 DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
    
85. __Vectors_End

复制代码

　　这段代码就是定义异常向量表，在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数 Reset_Handler、NMI_Handler等，在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。

1. startup_stm32f10x_hd.s内容：
   
2. 
   
3. NMI_Handler     PROC
   
4.                 EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
5.                 B       .
   
6.                 ENDP
   
7. 
   
8. 
   
9. stm32f10x_it.c中内容：
   
10. void NMI_Handler(void)
    
11. {
    
12. }

复制代码

　　在启动汇编文件中已经定义了函数NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允许我们再重新定义一个NMI_Handler函数，程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在，只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。

六、使用微库与不使用微库的区别

　　使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数，而想用自己定义的库函数，比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢？我们以printf函数为例进行说明。

1、不使用微库而使用系统库

　　在连接程序时，肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接，即代码段有系统库的参与。

　　在启动过程中，不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候，还需要初始化堆（猜测系统库需要用到堆），而使用微库则是不需要的。

1.                  IF      :DEF:__MICROLIB
   
2.                
   
3.                  EXPORT  __initial_sp
   
4.                  EXPORT  __heap_base
   
5.                  EXPORT  __heap_limit
   
6.                
   
7.                  ELSE
   
8.                
   
9.                  IMPORT  __use_two_region_memory
   
10.                  EXPORT  __user_initial_stackheap
    
11.                  
    
12. __user_initial_stackheap
    
13. 
    
14.                  LDR     R0, =  Heap_Mem
    
15.                  LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
    
16.                  LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
    
17.                  LDR     R3, = Stack_Mem
    
18.                  BX      LR
    
19. 
    
20.                  ALIGN
    
21. 
    
22.                  ENDIF

复制代码

　　另外，在执行__main函数的过程中，不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作，额外的工作还需要进行库的初始化，才能使用系统库（这一部分我还没有深入探讨）。附上__main函数的内容：

1.                   __main:
   
2. 0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
   
3. 0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
   
4.                  __scatterload_rt2_thumb_only:
   
5. 0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4  ; @0x08000164
   
6. 0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
   
7. 0x0800013E 4482      ADD      r10,r10,r0
   
8. 0x08000140 4483      ADD      r11,r11,r0
   
9. 0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
   
10.                  __scatterload_null:
    
11. 0x08000146 45DA      CMP      r10,r11
    
12. 0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
    
13. 0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
    
14. 0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07  ; @0x08000147
    
15. 0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}
    
16. 0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x01
    
17. 0x0800015A BF18      IT       NE
    
18. 0x0800015C 1AFB      SUBNE    r3,r7,r3
    
19. 0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
    
20. 0x08000162 4718      BX       r3
    
21. 0x08000164 0298      LSLS     r0,r3,#10
    
22. 0x08000166 0000      MOVS     r0,r0
    
23. 0x08000168 02B8      LSLS     r0,r7,#10
    
24. 0x0800016A 0000      MOVS     r0,r0
    
25.                  __scatterload_copy:
    
26. 0x0800016C 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
    
27. 0x0800016E BF24      ITT      CS
    
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31. 0x08000176 0752      LSLS     r2,r2,#29
    
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34. 0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
    
35. 0x0800017E BF44      ITT      MI
    
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38. 0x08000184 4770      BX       lr
    
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40.                  __scatterload_zeroinit:
    
41. 0x08000188 2300      MOVS     r3,#0x00
    
42. 0x0800018A 2400      MOVS     r4,#0x00
    
43. 0x0800018C 2500      MOVS     r5,#0x00
    
44. 0x0800018E 2600      MOVS     r6,#0x00
    
45. 0x08000190 3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
    
46. 0x08000192 BF28      IT       CS
    
47. 0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
    
48. 0x08000196 D8FB      BHI      0x08000190
    
49. 0x08000198 0752      LSLS     r2,r2,#29
    
50. 0x0800019A BF28      IT       CS
    
51. 0x0800019C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
    
52. 0x0800019E BF48      IT       MI
    
53. 0x080001A0 600B      STRMI    r3,[r1,#0x00]
    
54. 0x080001A2 4770      BX       lr
    
55.                  __rt_lib_init:
    
56. 0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
    
57. 0x080001A6 F3AF8000  NOP.W   
    
58.                  __rt_lib_init_user_alloc_1:
    
59. 0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc}
    
60.                  __rt_lib_shutdown:
    
61. 0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr}
    
62.                  __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
    
63. 0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}
    
64.                  __rt_entry_sh:
    
65. 0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
    
66. 0x080001B4 4611      MOV      r1,r2
    
67.                  __rt_entry_postsh_1:
    
68. 0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4)
    
69.                  __rt_entry_postli_1:
    
70. 0x080001BA F000F919  BL.W     main (0x080003F0)

复制代码

2、使用微库而不使用系统库

　　在程序连接时，不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中，而使用我们定义的库。

　　启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5，相比使用系统库，启动过程步骤更少。