1 概述
2 N- l) N+ {$ r4 E) I6 _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
  
  : \4 o6 V# o' P" k) e
  

    .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
   9 i, Y, e" D. f1 C0 n3 K: K
2. 0x20000000　　加载到SRAM上的目的地址
   
3. 0x0000000c　　数据段的总大小
   % I- x' X( Q: O5 V0 b, E
4. 0x080002f4　　调用函数_scatterload_copy

复制代码

5 u' X. F8 P; g. I; L8 `2 I7 s

    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
   ! N6 ]: u" c# s; p! [
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
   ( b+ h/ V0 h0 k  m
2. 　　BX　　 R0

复制代码

" d) M+ c7 a$ a! F

    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

1. BL.W     __scatterload_rt2

复制代码

" V/ P2 g8 i+ t% f

    进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   
2. 0x080001684C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   
3. 0x0800016A4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   ) S% i- b7 _# h
4. 0x0800016C E006      B        0x0800017C
   2 R2 ?& S: o8 p: K5 E, s% i$ K
5. 0x0800016E68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   7 v$ G- f  B+ q, k0 x7 P
6. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   
7. 0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
   5 Z; f7 |5 t! {6 ^
8. 0x080001784798      BLX      r3
   
9. 0x0800017A3410      ADDS     r4,r4,#0x10
     z6 m% m# f# i" Y" p
10. 0x0800017C42AC      CMP      r4,r5
    / h6 }, b! ?# x3 ?/ \
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 （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]
   1 F% |, [% a2 C, [8 ?
2. 0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   
3. 0x08000174
   
4. 0x080001784798      BLX      r3

复制代码

" M' W! v2 q7 w

    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. 0x080002F81F12      SUBS     r2,r2,#4
   0 g2 B9 U! H! A8 T
5. 0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
   . I/ x8 k: @# z: h) F$ b5 _
6. 0x080002FC2A00      CMP      r2,#0x00
   5 X$ _& H( S' a4 v/ _& a
7. 0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
   3 R1 M) M0 s+ L4 n+ N5 `7 u" R
8. 0x080003004770      BX       lr
   4 w9 T" \% M6 B5 u$ \
9. __scatterload_null:
   . q7 W- G( Q7 A' z
10. 0x080003024770      BX       lr
    5 |/ K) F' l5 n  ~/ x5 e
11. __scatterload_zeroinit:
    * N9 B2 c  z2 `3 _4 S8 @
12. 0x080003042000      MOVS     r0,#0x00
    / s4 F4 D- U3 |, u. e7 c
13. 0x08000306 E001      B        0x0800030C
    
14. 0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
    5 m3 e! a# n- c. L2 S- I
15. 0x0800030A1F12      SUBS     r2,r2,#4
    
16. 0x0800030C2A00      CMP      r2,#0x00
    
17. 0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
    ) S8 q9 A  g! J4 K- P* F* ^$ U
18. 0x080003104770      BX       lr

复制代码

跳转到C文件的main函数

1. _main_init:
   
2. 0x080001384800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
   
3. 0x0800013A4700      BX       r0

复制代码

5 异常向量与中断向量表
6 x8 P) V0 ?2 w, |

1. ; VectorTableMapped to Address0 at Reset
   
2. AREA    RESET, DATA, READONLY
   3 t0 G& {7 v: i; P  v; ?
3. EXPORT  __Vectors
   
4. EXPORT  __Vectors_End
   
5. EXPORT  __Vectors_Size
   7 C, E" C1 P% ?% |* L& s6 V
6. 
   
7. 
   
8. __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
   ' y+ r# J- k9 z. b% K1 g- f1 \
9. DCD     Reset_Handler; ResetHandler
   ) S& ~, V: H& `0 }: m7 S& `
10. DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
    
11. DCD     HardFault_Handler; HardFaultHandler
    ( D1 B% o% K% F) E5 K' n
12. DCD     MemManage_Handler; MPU FaultHandler
    
13. DCD     BusFault_Handler; BusFaultHandler
    , p" K+ `) ~& H; q' K
14. DCD     UsageFault_Handler; UsageFaultHandler
    
15. DCD     0; Reserved
    * O* `# M7 F( f/ Y! R2 N* ?9 {
16. DCD     0; Reserved
    
17. DCD     0; Reserved
    
18. DCD     0; Reserved
    
19. DCD     SVC_Handler                ; SVCallHandler
    ( r( m$ u( ^' k2 D, ]5 w3 r
20. DCD     DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler
    , @% Z6 I: r5 H# R8 F6 z0 L$ Z
21. DCD     0; Reserved
    
22. DCD     PendSV_Handler; PendSVHandler
    5 S/ ]: n, X' Q/ i" N
23. DCD     SysTick_Handler; SysTickHandler
    2 B. f% W$ P3 L# p9 P; }- z2 o
24. 
    ( }* c" }% M3 i! @2 ?) l
25. 
    2 w9 f. ?+ G) b9 E) ]5 ^
26. ; ExternalInterrupts
    
27. DCD     WWDG_IRQHandler            ; WindowWatchdog
    
28. DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
    
29. DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
    ' ^' @9 W% J% A  A+ ?0 r3 L
30. DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
    7 E+ g* D# `) V3 O
31. DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
    3 G% u$ b, @' J. s
32. DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
    
33. DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line0
    5 ~+ T: a: P/ q) D$ {3 J
34. DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line1
    
35. DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line2
    
36. DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line3
    + j8 S" }2 i# Z. |0 D0 L0 U
37. DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line4
    
38. DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel1
    : C3 l' M; y0 }
39. DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel2
    
40. DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel3
    1 y% w" C* Z2 t) c
41. DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel4
    
42. DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel5
    $ p' E) p# z8 [% \6 g9 L6 y  X
43. DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel6
    
44. DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel7
    7 n2 n6 G% M9 d- i* S* K, b: }
45. DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
    
46. DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB HighPriority or CAN1 TX
    + t2 P4 E2 y6 z* \; Y+ {
47. DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0
    6 o4 Z4 ~2 C" \7 N/ i, u5 \" U
48. DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
    
49. DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
    
50. DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line9..5
    
51. DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
    
52. DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
    4 R7 E7 C9 V! R* N: c$ L" K) k& ]2 M
53. DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
    + E7 r: Z2 F$ j; e, F$ k1 l
54. DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 CaptureCompare
    
55. DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
    
56. DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
    
57. DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
    % ^: ^3 P- i+ ^. A
58. DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
    
59. DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
    
60. DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
    0 h& D& A9 W2 W- w  ?" @
61. DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
    
62. DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
    , A; |4 X# F% b7 C" d4 [/ m' u  M
63. DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
    
64. DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
    ; f5 A- A$ C& B  z) G7 `9 I
65. DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
    ! \0 B( `+ \' g  H0 A+ R
66. DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
    
67. DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line15..10
    
68. DCD     RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line
    - E, `  P7 h  b. ?* x2 {
69. DCD     USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend
    
70. DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
    % O3 N% n4 s, E* F' N1 h$ Q
71. DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
    
72. DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
    1 M# O" T) P* B4 p1 E# t& H7 J
73. DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 CaptureCompare
    8 C% Q: K0 u( i& n
74. DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
    6 y' ]# |4 R- T! L
75. DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
    
76. DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
    * Y" x0 w' P3 j9 p. k
77. DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
    
78. DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
    ! o7 m# a- D% y+ _2 K0 _
79. DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
    
80. DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
    ; W9 _8 c" x( w& v( D0 `
81. DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
    
82. DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
    
83. DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
    
84. DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
    & q! _# {  E) u* y& ?+ w1 Z: i
85. DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
    ( x! X- W" r) p
86. DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5
    
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：
   . L: r/ t$ a0 p/ s3 m: p& J/ c; q
2. 
   4 x4 i  e  f) p) T, T/ G
3. 
   
4. NMI_Handler     PROC
   
5. EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
6. B       .
   
7. ENDP
   % p6 n: `/ \; g
8. 
   6 X0 _1 c$ Y3 s- X6 I) v
9. 
   
10. 
    
11. 
    
12. stm32f10x_it.c中内容：
    / S/ G  o  n/ A0 n* _* a8 Z
13. void NMI_Handler(void)
    : Y# Y8 T, R# D% y" B  |2 N
14. {
    
15. }

复制代码

7 w  b' O# \9 N

    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
   . o5 ]0 f, B6 K) w2 q
2. 
   1 L2 y1 z$ l2 p
3. 
   - k& I" N$ s2 {3 H8 c' r5 S# `% |
4. EXPORT  __initial_sp
   
5. EXPORT  __heap_base
   9 b  e; d! q' ~1 P( \
6. EXPORT  __heap_limit
   
7. 
   - s$ a) G7 n4 l* i
8. 
   
9. ELSE
   
10. 
    
11. 
    
12. IMPORT  __use_two_region_memory
    9 Z" {2 x" e1 N6 B. t9 b
13. EXPORT  __user_initial_stackheap
    
14. 
    9 p# h- G7 a$ ?
15. 
    0 g! x; U+ t2 z* m
16. __user_initial_stackheap
    
17. 
    / u3 F2 y: U* q+ G3 f9 D" K
18. 
    # l7 ]  n, s9 i, E2 z: ]
19. LDR     R0, =  Heap_Mem
    . r1 e% J. ^+ `  ~* T$ L% }. m! e
20. LDR     R1, =(Stack_Mem+ Stack_Size)
    
21. LDR     R2, = (Heap_Mem+  Heap_Size)
    0 y% v+ P- I( k" n* I8 f" j% U
22. LDR     R3, = Stack_Mem
    
23. BX      LR
    ' ], k8 I3 g6 W. e! L6 X7 b# G/ u
24. 
    ) R: p" m4 L  y' c  Z: M6 O0 P  U
25. 
    
26. ALIGN
    ) P! P! b. C; O- P9 O2 O, l
27. 
    , c$ c6 G4 Y* P. C
28. 
    
29. ENDIF

复制代码

% T% Z; n% g0 P! T0 ^* L3 {

    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:
   7 S& A* v5 R" a( j( I' s+ T
2. 0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
   # t) V0 T' s* \/ X* u2 K
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}
   : G6 f8 k  y8 J4 X; I  q& U9 z
7. 0x0800013E4482      ADD      r10,r10,r0
   " h' d& }1 u$ |: g" K
8. 0x080001404483      ADD      r11,r11,r0
   9 V% W* `" Q2 @; A6 Z) |
9. 0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
   
10. __scatterload_null:
    3 P& r6 W8 Q  J  Z
11. 0x0800014645DA      CMP      r10,r11
    
12. 0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
    & p% @) {" P$ V% B0 y1 ~9 [
13. 0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
      M: Q3 I1 o: R; v; U" F
14. 0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07; @0x08000147
    4 u: U$ h- o! c$ I
15. 0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}
    4 d% k: j1 x9 `0 @8 D4 z3 f
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    4 z) e5 n2 `' t
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    * P& z, x$ y# ?( @
19. 0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
    
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    2 n4 g% T* Q- u; b+ k
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    3 k' @( t& n& F" d- ]% e' z
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    7 M# f- _  c1 l4 P
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    ; w' W5 W4 r) F: \
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    " w2 Y! o) w9 ?1 J0 {8 s: ]) h
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    ' n2 z1 ?6 S1 _2 s
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    / Q4 S) ^, `$ p/ m) N
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    ) |8 |. c- Z; }" l) s
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38. 0x080001844770      BX       lr
    6 f/ f8 S7 q. V$ z; F# _6 L
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    1 o2 N. K4 `* A0 g3 t
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    0 V3 R# X* j" N3 j2 B/ p4 j+ y3 q8 F  n( v
42. 0x0800018A2400      MOVS     r4,#0x00
    $ ~$ ~# a+ {" X$ f
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    + F2 B6 ^8 T( s$ K* `
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    * [/ E0 k- f% j+ L# x/ U
45. 0x080001903A10      SUBS     r2,r2,#0x10
    1 \! P6 y: n$ t, ^$ ?; u8 l
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    8 @: \5 t: n% S# I' |( f7 B2 e
50. 0x0800019A BF28      IT       CS
    
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52. 0x0800019E BF48      IT       MI
    , s( o: r9 d7 A3 P. ~' `
53. 0x080001A0600B      STRMI    r3,[r1,#0x00]
    
54. 0x080001A24770      BX       lr
    
55. __rt_lib_init:
    3 W  y: |, [$ [4 S- a
56. 0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
    
57. 0x080001A6 F3AF8000  NOP.W
    
58. __rt_lib_init_user_alloc_1:
    - r7 m4 s5 c6 \9 h" \% ~' b% D3 b5 R  c
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:
    5 X6 y, m* w9 H; b
65. 0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
    : E* |$ g% S0 P7 V4 e3 y5 O) B
66. 0x080001B44611      MOV      r1,r2
    
67. __rt_entry_postsh_1:
    
68. 0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4)
    & M! u, G2 Z) `
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。

7 V  {) j) c+ t% f/ k: x: f
4 \; f3 ?: ]$ U! S+ L, ?7 X