1 概述
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
  
  
  : g8 h" X" `, U" @- \( Q  M& o

    .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
   4 z/ s7 p( o  A- |8 q) t- N
2. 0x20000000　　加载到SRAM上的目的地址
   9 C4 Y. \5 V6 l: g
3. 0x0000000c　　数据段的总大小
   
4. 0x080002f4　　调用函数_scatterload_copy

复制代码

4 u% [1 k: l. X/ v6 Y( y

    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
9 o7 N. C7 M  ^! |/ {5 i- |* o

1. LDR   R0,=__main
   ' w4 o2 u/ x$ \; T
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。

加载.data、.bss，并初始化栈区
* u% j4 x" w- X: c

1. BL.W     __scatterload_rt2

复制代码

    进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   
2. 0x080001684C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   % V0 r% D: d# L& A8 L# u
3. 0x0800016A4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   ' E0 s( R$ p- Q9 ]7 a  `
4. 0x0800016C E006      B        0x0800017C
   3 A7 P( b4 Y1 \  D
5. 0x0800016E68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   ) n2 m/ q9 N9 X
6. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   8 z8 X$ M/ p- i
7. 0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
   
8. 0x080001784798      BLX      r3
   8 C/ y/ [/ {+ j/ o8 _
9. 0x0800017A3410      ADDS     r4,r4,#0x10
   
10. 0x0800017C42AC      CMP      r4,r5
    
11. 0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
    
12. 0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

复制代码

+ z& k+ e& ], G4 `" N

    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
   0 e* y+ x  q& r% O# s" c% T* ?
3. 0x08000174
   ' f0 S$ n6 o* ^2 l
4. 0x080001784798      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
   1 f9 ~* F$ U8 |) M# A  y3 u  v6 P
3. 0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
   + C- v: R4 v) T
4. 0x080002F81F12      SUBS     r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC2A00      CMP      r2,#0x00
   
7. 0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
   3 \( o: s; D: q* ]/ d/ O1 I5 t! |' g
8. 0x080003004770      BX       lr
   
9. __scatterload_null:
   
10. 0x080003024770      BX       lr
    
11. __scatterload_zeroinit:
    + K! L0 \! {% C9 {
12. 0x080003042000      MOVS     r0,#0x00
    # U& B+ m! A1 Q# u: x
13. 0x08000306 E001      B        0x0800030C
    
14. 0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
    
15. 0x0800030A1F12      SUBS     r2,r2,#4
    
16. 0x0800030C2A00      CMP      r2,#0x00
    
17. 0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
    
18. 0x080003104770      BX       lr

复制代码

, G2 q, d% j8 o" c+ _$ a* G

跳转到C文件的main函数
' A8 B$ k' a9 n

1. _main_init:
   6 G2 p1 A) Z; `/ f  C7 [! @$ X$ \
2. 0x080001384800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
   
3. 0x0800013A4700      BX       r0

复制代码

& B8 d, {, A" V0 o, e5 异常向量与中断向量表

1. ; VectorTableMapped to Address0 at Reset
   2 P% F* R. X5 g: g) E! q/ E/ x
2. AREA    RESET, DATA, READONLY
   
3. EXPORT  __Vectors
   
4. EXPORT  __Vectors_End
   
5. EXPORT  __Vectors_Size
   
6. 
   
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
    $ ]8 [3 ~& E* q
13. DCD     BusFault_Handler; BusFaultHandler
    
14. DCD     UsageFault_Handler; UsageFaultHandler
    8 W) f" b5 s9 b) z
15. DCD     0; Reserved
    
16. DCD     0; Reserved
    3 _# n+ F7 B$ J4 P- I2 }9 T- }) u
17. DCD     0; Reserved
    
18. DCD     0; Reserved
    5 F2 E0 h! @0 E; A
19. DCD     SVC_Handler                ; SVCallHandler
    
20. DCD     DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler
    
21. DCD     0; Reserved
    
22. DCD     PendSV_Handler; PendSVHandler
    / B4 v$ [# L5 [' M7 R; f3 Y" T
23. DCD     SysTick_Handler; SysTickHandler
    
24. 
    
25. 
    1 @0 m. k0 x' _7 S% ]
26. ; ExternalInterrupts
    
27. DCD     WWDG_IRQHandler            ; WindowWatchdog
    
28. DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
    9 w$ }( E; J( j4 c6 Z! @! q
29. DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
    
30. DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
    
31. DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
    
32. DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
    
33. DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line0
    . x: T- z7 }* E' P$ U) u5 l
34. DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line1
    4 O' m% @( o  X
35. DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line2
    
36. DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line3
    8 L# z1 v( E) z
37. DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line4
    : R1 e1 a) b' D) x( P' L
38. DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel1
    
39. DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel2
    
40. DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel3
    
41. DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel4
    ) Z0 |9 r$ ?" I7 c8 m
42. DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel5
    9 p  W, J8 S( |* ?1 r
43. DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel6
    + |: ]0 h/ x2 f% i7 z) C
44. DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel7
    3 |9 y6 o' ]4 }  @
45. DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
    
46. DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB HighPriority or CAN1 TX
    
47. DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0
    4 p+ _6 [( ]2 `
48. DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
    ; X, N/ I8 J- D
49. DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
    
50. DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line9..5
    " T" b) j6 ~* z4 N7 m1 }' m
51. DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
    
52. DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
    1 Y5 C% R* j+ n6 e
53. DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
      H8 g  {% I  t/ N
54. DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 CaptureCompare
    
55. DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
    ! R- E! B5 Q% y* H/ N; A
56. DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
    
57. DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
    
58. DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
    
59. DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
    ; \# ~* `/ x! j8 n
60. DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
    
61. DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
    ; [. C3 m+ G, g, a+ g1 U/ e- r
62. DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
    
63. DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
    9 s4 ~9 r- n; ?/ j. |8 D, s4 i$ V
64. DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
    
65. DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
    5 p/ S7 F1 F5 y/ i0 {$ D
66. DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
    
67. DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line15..10
    
68. DCD     RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line
    
69. DCD     USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend
    
70. DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
    
71. DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
    4 E# t5 Q$ b! Y8 I# X4 ~
72. DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
    3 }2 J, I0 q4 k6 p) J% X
73. DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 CaptureCompare
    " r+ B6 \# r9 B5 c; D
74. DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
    ' c9 B) R2 f* N  ?1 B, l
75. DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
    
76. DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
    
77. DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
    
78. DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
    
79. DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
    
80. DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
    0 b- [2 [4 ~2 i7 \: n, J' R7 C. i
81. DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
    + _- z' f# H# [
82. DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
    4 w8 V) n$ x4 I( C
83. DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
    
84. DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
    & W5 H9 Z1 |: r+ G+ @
85. DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
    
86. DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5
    % i3 M! D# G/ X2 e! B- T  K4 V' f
87. __Vectors_End

复制代码

! k2 V! G+ H# L' O

    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：
   6 u2 E7 r8 G1 z6 v, C7 ^3 y
2. 
   
3. 
   9 @: P% s/ n9 m6 l% K0 z" W4 i
4. NMI_Handler     PROC
   - j( X1 S' H5 q( \. q& _
5. EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   % e% y6 y5 ~7 z' b  V* G$ n
6. B       .
   
7. ENDP
   3 z# c- j3 C  c% {5 B
8. 
   
9. 
   
10. 
    
11. 
    
12. stm32f10x_it.c中内容：
    ' m( y7 ]7 p0 C6 |0 C# o- P
13. void NMI_Handler(void)
    
14. {
    + w, @9 @5 e0 ~; r4 E+ u: B& F, }
15. }

复制代码

0 c' X' y% y, @

    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
   " {: U6 w3 D9 E
2. 
   , b# |3 f% H& A  ?
3. 
   6 j( ^5 ^( y' g& g0 E
4. EXPORT  __initial_sp
   
5. EXPORT  __heap_base
   : Z$ p+ Y# s$ e9 e1 p
6. EXPORT  __heap_limit
   
7. 
   
8. 
   & ^7 j% [4 s# j7 Q$ J- _% _! Y
9. ELSE
   9 O' z) @% w! N! R' i0 p. K8 Z
10. 
    9 G5 B6 ~$ n" W0 J- B6 u! t, j
11. 
    8 X& |- E9 j7 U% f
12. IMPORT  __use_two_region_memory
    / _! X& o! L9 b% ?5 M/ L
13. EXPORT  __user_initial_stackheap
    , \  {3 L) \8 w: c4 x" R
14. 
    
15. 
    * f5 J" n1 z7 P% f! G# [5 e
16. __user_initial_stackheap
    3 {, C1 k( q; r0 ^  S- |* W
17. 
    
18. 
    
19. LDR     R0, =  Heap_Mem
    - n, ]- a3 t* u8 q7 P" C! |
20. LDR     R1, =(Stack_Mem+ Stack_Size)
    
21. LDR     R2, = (Heap_Mem+  Heap_Size)
    
22. LDR     R3, = Stack_Mem
    
23. BX      LR
    
24. 
    8 C7 K' }+ ?* c: z* w) {" b  ^9 S+ J
25. 
    
26. ALIGN
    " J% h6 _* ?/ r9 G
27. 
    ; N1 c6 N6 m* b* m9 \4 C
28. 
    ( G$ N* P9 ^/ C+ Y) @  u+ j
29. ENDIF

复制代码

0 b* g* \, K' K  @

    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:
   5 q, L1 h! u7 m% _! ^
2. 0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
   
3. 0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
   
4. __scatterload_rt2_thumb_only:
   1 n; e( K. o* }$ Z1 D  Y
5. 0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4; @0x08000164
   : n% S+ e' F- e: h0 C
6. 0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
   6 F, m7 _0 x9 f" b* j
7. 0x0800013E4482      ADD      r10,r10,r0
   , e" z( w' `( `' L, d2 z$ r7 P% K
8. 0x080001404483      ADD      r11,r11,r0
   % m* ]6 K, Y4 o( ~$ N
9. 0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
   
10. __scatterload_null:
    
11. 0x0800014645DA      CMP      r10,r11
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12. 0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
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14. 0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07; @0x08000147
    
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    9 R- F( D- k2 }& G1 _( H( F6 b8 s; t
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    & `/ Z$ A- W3 v/ M
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    / N1 u  d. v# z8 r4 }8 F/ u. \
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    6 L. h* w- e( H' L/ @' W, H* h
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    2 c% h% f( q$ N4 f
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27. 0x0800016E BF24      ITT      CS
    ( N6 O2 X7 ^* m* b$ c
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      Y7 T& S" {4 q0 W
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    + ]$ \1 P3 }/ K4 g+ r, ?* A& ]
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    3 _, z* n, q' h/ L: H
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      }3 O, G* {9 `$ ?& }) L
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    $ o- w6 h; O% C+ j* G  Y
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    2 x' A  Q" r: a$ U% O" }5 ^4 h
54. 0x080001A24770      BX       lr
    $ O! t) s+ ^+ I" n+ h
55. __rt_lib_init:
    
56. 0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
    # q; ~. f- n" _! Q
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}
    4 \$ |. ?3 l8 B4 k4 X2 A0 i
62. __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
    
63. 0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}
    8 a1 p* Z) W% R, a5 b# s
64. __rt_entry_sh:
    
65. 0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
    0 i- N5 ^7 V$ U& Z" i
66. 0x080001B44611      MOV      r1,r2
    - @2 {. _  A1 S7 p1 J$ E
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

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。

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