1 概述
$ G2 [$ j* c. u) E' i! W, ?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。

整体过程

    STM32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

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）。关于startup_stm32f10x_hd.s，具体可以看此文：详解STM32启动文件。

2 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。

    上图中：

• MSP初始值由编译器生成，是主堆栈的初始值。
• 初始化数据段是.data
• 未初始化数据段是.bss
  
  
  : R+ j* E  s* w

    .data和.bss是在__main里进行初始化的，对于ARM Compiler，__main主要执行以下函数：

    其中__scatterload会对.data和.bss进行初始化。

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。

1. 0x0800033c　　Flash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址
   ' d6 ?9 X, B! ?7 m9 {) u
2. 0x20000000　　加载到SRAM上的目的地址
   
3. 0x0000000c　　数据段的总大小
   * E% R. l5 h) Q3 O
4. 0x080002f4　　调用函数_scatterload_copy

复制代码

    需要说明的是初始化栈的函数-- 0x08000304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。

3 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

4 详细过程分析

    有了以上的基础，现在详细分析启动过程

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：

1. SP = 0x02000810
   
2. PC = 0x08000145

复制代码

设置系统时钟

    上一步中令 PC=0x08000145的地址没有对齐，硬件自动对齐到 0x08000144，执行 SystemInit函数初始化系统时钟。

软件设置SP

1. LDR   R0,=__main
   ; Y. ~" T5 }0 ~/ r- i4 l
2. 　　BX　　 R0

复制代码

: @" F; n1 ~: p0 [2 R+ D& N1 O

    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。

加载.data、.bss，并初始化栈区
; a( t5 G, X# @  q; l, O/ ~- p$ B

1. BL.W     __scatterload_rt2

复制代码

    进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   9 J5 ?. H: r1 B, Z+ k
2. 0x080001684C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
     D" e+ Z; _! G
3. 0x0800016A4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   
4. 0x0800016C E006      B        0x0800017C
   
5. 0x0800016E68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   $ t& X$ |7 O) I' P- _/ M9 a- M
6. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   2 H" ]. A! S0 R6 O3 X
7. 0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
     @) A$ M$ ?* g  L0 r# I
8. 0x080001784798      BLX      r3
   
9. 0x0800017A3410      ADDS     r4,r4,#0x10
   
10. 0x0800017C42AC      CMP      r4,r5
    & e- M+ _- a, O' d4 ?1 u" [- U! K
11. 0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
    , {0 S3 z: V9 K7 p! F0 s% ?
12. 0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

复制代码

7 ?: _0 ]4 ^" E; z

    这段代码是个循环 （BCC0x0800016e），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：

1. 0x0800016E68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   
2. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   1 K7 P! f  u  r9 ^+ ~( _" I8 f
3. 0x08000174
   
4. 0x080001784798      BLX      r3

复制代码

$ u$ e" p( W. m

    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:
   * N9 Y1 [# R$ T# f% v3 Y
2. 0x080002F4 E002      B        0x080002FC
   
3. 0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
   ) }2 l; t$ y  ~) F9 J9 [
4. 0x080002F81F12      SUBS     r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC2A00      CMP      r2,#0x00
   9 I* z6 g( N# n& Y, A0 P5 X
7. 0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
   ' U' \" P% |! e: B
8. 0x080003004770      BX       lr
   
9. __scatterload_null:
   
10. 0x080003024770      BX       lr
    
11. __scatterload_zeroinit:
    + h8 V9 e. P# s$ x6 _3 O8 Q
12. 0x080003042000      MOVS     r0,#0x00
    
13. 0x08000306 E001      B        0x0800030C
    
14. 0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
    : j) p  `, N, f  C
15. 0x0800030A1F12      SUBS     r2,r2,#4
      ]) z- E$ V' ~" N( o# n' d
16. 0x0800030C2A00      CMP      r2,#0x00
    
17. 0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
    
18. 0x080003104770      BX       lr

复制代码

, O1 h! X5 S. `: S

跳转到C文件的main函数

1. _main_init:
   
2. 0x080001384800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
   # d- Q- q/ x$ s( H  s$ J
3. 0x0800013A4700      BX       r0

复制代码

4 C0 ~2 I2 [( Z# x  K+ N5 @2 V5 异常向量与中断向量表
: o* x, y* J7 z6 V! F7 ^

1. ; VectorTableMapped to Address0 at Reset
   
2. AREA    RESET, DATA, READONLY
   # V% s' s& y- D, m
3. EXPORT  __Vectors
   * t: t1 Y/ f9 H- P
4. EXPORT  __Vectors_End
   
5. EXPORT  __Vectors_Size
   . H0 J! M4 }8 @4 o7 i; v- _
6. 
   * @% J& X2 c5 i- A* B
7. 
   
8. __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
   
9. DCD     Reset_Handler; ResetHandler
   
10. DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
    
11. DCD     HardFault_Handler; HardFaultHandler
    
12. DCD     MemManage_Handler; MPU FaultHandler
    , S% r0 q7 |: L: p: w  _
13. DCD     BusFault_Handler; BusFaultHandler
    
14. DCD     UsageFault_Handler; UsageFaultHandler
    
15. DCD     0; Reserved
    
16. DCD     0; Reserved
    
17. DCD     0; Reserved
    
18. DCD     0; Reserved
    & A) y; z, R, B
19. DCD     SVC_Handler                ; SVCallHandler
    
20. DCD     DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler
    - o$ x# d3 Y2 k1 K, Q; }8 K! I) y
21. DCD     0; Reserved
    2 ?5 x) G: s4 M* o2 [' r
22. DCD     PendSV_Handler; PendSVHandler
      J0 s# W- ?* h6 V4 N  `
23. DCD     SysTick_Handler; SysTickHandler
    
24. 
    
25. 
    3 Y$ L" T) L/ {( d6 D2 `
26. ; ExternalInterrupts
    
27. DCD     WWDG_IRQHandler            ; WindowWatchdog
    ; j, Y3 J* N+ g* {- S9 U/ V& }
28. DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
    6 F/ |) X  U$ \' {9 V4 G
29. DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
    
30. DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
      |, ^* P9 a! u" ~
31. DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
    ) D3 C% n( r! {: K$ d
32. DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
    5 T+ S1 K9 w/ _# n- B5 @
33. DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line0
    - W3 ~/ G0 W5 I3 \! K+ j; M' j
34. DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line1
    % {! L8 L8 S+ V5 c9 z8 I
35. DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line2
    
36. DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line3
    
37. DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line4
    6 q8 p* q5 r9 u, j" c: K; M" P4 Y
38. DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel1
    . V0 Y$ @: K& i* s, {  P! [. n' d
39. DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel2
    $ v6 j& c* _6 c+ i' a/ A
40. DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel3
    
41. DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel4
    * w& \: k9 M, Q: e8 M+ D2 D
42. DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel5
    8 d' s8 Y9 _1 A+ i' J8 S
43. DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel6
    
44. DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel7
    
45. DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
    ! E& A) Y& ?% X
46. DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB HighPriority or CAN1 TX
    
47. DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0
    5 ^$ m3 t: S. N% s# e, Z2 |  P4 P
48. DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
    
49. DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
    : x- ^& y" Q/ f/ R; E
50. DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line9..5
    
51. DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
    
52. DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
    
53. DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
    ) X5 [' ?: q4 V: K$ K4 B" K
54. DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 CaptureCompare
    
55. DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
    8 v  C- s4 a$ B. m. Q. h& [0 j
56. DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
    3 v7 |8 d3 J) i
57. DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
    
58. DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
    / h! R/ c5 f5 l1 c& N$ t% j6 b- K
59. DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
    
60. DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
    
61. DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
    9 l! T3 [/ {3 ]' x* S. L. E
62. DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
    5 j( Q5 _# e# W5 ?% E  ~
63. DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
    + V  V1 e& [, R) b( S
64. DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
    
65. DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
    ! ^- w; ^) S; @( X
66. DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
    + B- L. D: S: Q* s0 }
67. DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line15..10
    
68. DCD     RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line
    * v: {3 J0 i+ [  H& b: x4 d* ]$ R
69. DCD     USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend
    
70. DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
    0 E7 t% x1 Z# L& w# H: o
71. DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
    
72. DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
    # U3 @4 K2 x) p4 N# b/ J; T
73. DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 CaptureCompare
    
74. DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
    
75. DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
    / \' t8 \, `# a' x
76. DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
    
77. DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
      \7 O! y. g+ U# _" B  ~, r
78. DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
    " W1 a7 F+ V; A, `
79. DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
    
80. DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
    
81. DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
    
82. DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
    
83. DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
    & s9 @1 V; Y# [% u; S* j# D
84. DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
    % y! r* R) E6 @
85. DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
    $ v7 E3 C$ B# b' I/ M, I
86. DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5
    ) i  f: z2 x) z7 A, g
87. __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. 
   / J$ u+ N1 p  u7 A7 Z; M
4. NMI_Handler     PROC
   
5. EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
6. B       .
   ; e: d+ d/ m* E
7. ENDP
   
8. 
   & s6 y# r- @* i. J
9. 
   
10. 
    ( t1 g+ ]( A6 q: }- s
11. 
    & s, A1 H  [- `1 z% z" E. G
12. stm32f10x_it.c中内容：
    & r0 n/ x6 m! [
13. void NMI_Handler(void)
    
14. {
    * e  d/ T5 i; v% u1 y4 B
15. }

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。

6 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。

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
   ( A' f9 U8 k: D8 b% v1 d
2. 
   6 f( M: |4 n4 `, L8 u/ w! V( W
3. 
   
4. EXPORT  __initial_sp
   8 k- ]4 D! I  U9 J3 x6 O7 t( K/ d
5. EXPORT  __heap_base
   5 G) M; p7 h" J6 P: h6 x
6. EXPORT  __heap_limit
   
7. 
   
8. 
   
9. ELSE
   $ z& E3 e! q; U
10. 
    
11. 
    
12. IMPORT  __use_two_region_memory
    
13. EXPORT  __user_initial_stackheap
    - ~3 z+ L! i: H+ F5 Q
14. 
    7 {. I$ r5 t! l
15. 
    ) W" ?4 Z9 n8 C0 K# s: a
16. __user_initial_stackheap
    
17. 
    
18. 
    
19. LDR     R0, =  Heap_Mem
    
20. LDR     R1, =(Stack_Mem+ Stack_Size)
    $ X# w8 i2 U! |, t/ D# x# `1 ~
21. LDR     R2, = (Heap_Mem+  Heap_Size)
    * F/ t2 ~2 l- I
22. LDR     R3, = Stack_Mem
    % E: N0 y$ W3 l
23. BX      LR
    : S8 M+ `* z- q1 {: V5 u
24. 
    + [! \9 ^, O  L- D2 t& k
25. 
    
26. ALIGN
    
27. 
    ! t$ y! V' J& s9 }6 p; d7 ?. w9 C7 k
28. 
    
29. ENDIF

复制代码

  D3 U2 U; L1 X' M1 G" N# p, i, N( U

    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)
   ' P# n- L! g; \
3. 0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
   7 h+ c# f/ L1 B' M' a
4. __scatterload_rt2_thumb_only:
   
5. 0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4; @0x08000164
   ( A' R( T! o+ A+ ]
6. 0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
   ' C- o/ B; V. E+ C7 Q
7. 0x0800013E4482      ADD      r10,r10,r0
   
8. 0x080001404483      ADD      r11,r11,r0
   8 g2 W& B& p: [" p, O8 y4 }, Q
9. 0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
   % H, j$ v, S' @6 b; o" U  \4 J
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11. 0x0800014645DA      CMP      r10,r11
    
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    % |  L6 Q2 n" s. |% o$ @2 ~
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14. 0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07; @0x08000147
    - S* {6 y1 J$ [) |5 y( W
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    & C- K3 K8 Q) f) W
19. 0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
    & [9 \8 J3 L. }8 Z# k+ W3 ^: ~* t( `0 g
20. 0x080001624718      BX       r3
    3 A/ H; o- P" U! g5 P
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    # x7 k: h, j  t( o
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24. 0x0800016A0000      MOVS     r0,r0
    / k$ n6 {, W8 p% _. J
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    # P5 @! G8 N6 b6 ]# M; M; T: |# }
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    5 _$ z% N: d2 U4 r- j% y
27. 0x0800016E BF24      ITT      CS
    
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    ( M* D& k6 i) R# o: v  a
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    # [* S. W# E- U4 @4 ]7 s
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    # Y. a0 t' n- i; a" T! z8 `
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    3 g, P' O' ~2 R- U6 w! k
34. 0x0800017C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
    
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38. 0x080001844770      BX       lr
    
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    2 M( H; f/ x2 s" o1 @+ Q
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    # k" `7 v) ^( e2 \% s" v; ^
45. 0x080001903A10      SUBS     r2,r2,#0x10
    $ D: n/ Z4 _, ~0 g: @$ t
46. 0x08000192 BF28      IT       CS
    
47. 0x08000194 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
    + p  h& `7 s2 L- B  G1 Z0 K
48. 0x08000196 D8FB      BHI      0x08000190
    0 ?* y% S6 ^9 q( y8 M9 [" ^. K
49. 0x080001980752      LSLS     r2,r2,#29
    - V7 n: r+ i, r( m
50. 0x0800019A BF28      IT       CS
    
51. 0x0800019C C130      STMCS    r1!,{r4-r5}
    
52. 0x0800019E BF48      IT       MI
    0 i' o# X; R4 e" k" f& P7 M
53. 0x080001A0600B      STRMI    r3,[r1,#0x00]
    
54. 0x080001A24770      BX       lr
    - l7 G. q# R/ h
55. __rt_lib_init:
    ' n) L3 C: u6 o
56. 0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
    
57. 0x080001A6 F3AF8000  NOP.W
    
58. __rt_lib_init_user_alloc_1:
    , Q1 u, F. k! `( z
59. 0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc}
    
60. __rt_lib_shutdown:
    % d& E# L6 a* p0 u
61. 0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr}
    7 g9 r0 d1 t4 ~4 d, g" e2 z
62. __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
    , w/ e, i# M8 l6 Y2 ?
63. 0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}
    
64. __rt_entry_sh:
    ; Z* Q# V6 r; c! b0 t$ M! l
65. 0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
    ( l* k! f, h( P# t# i* c
66. 0x080001B44611      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

: g/ `! Y8 c+ n" X

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。

6 b# v+ o: c) O% W  M. P, n( @
  _$ {6 z3 m: J* M7 N% K