【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 ********************
* a4 P1 ~# ?& X, G
;* File Name : startup_stm32h743xx.s
: r5 X9 @0 V% e: a3 T* L
;* @author MCD Application Team6 U3 ?( _2 a" ^) H; C% c. z
;* version : V1.2.0( i" ^" t2 y/ o3 ]
;* Date : 29-December-2017
, ]% ~# \* [- j5 h
;* Description : STM32H7xx devices vector table for MDK-ARM toolchain. 6 n$ I1 S" U$ S% \5 }- M
;* This module performs:
% w/ m' R. {/ N+ \' Y5 p$ I% W
;* - Set the initial SP" g( z; K [2 [4 K& {# M3 b: U7 q
;* - Set the initial PC == Reset_Handler
0 ]3 l6 z5 l. s
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address: A+ h% e' w1 ~1 s% o; Z8 O/ s
;* - Branches to __main in the C library (which eventually' r7 s3 x( T( o, q2 Y4 ~- i% a
;* calls main()).- ^/ `8 }4 k3 @, E( H3 J
;* After Reset the Cortex-M processor is in Thread mode,! K% ]: R" F1 E. y& x
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.! `' [3 e$ b# y1 ^3 a' Y; P$ V% }5 t
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> + H3 i4 |& J6 r9 u
;*******************************************************************************
# f; D6 Q- Q. a/ ~3 \
; . m) q1 [1 M( N! t/ d1 o; _0 e
; Licensed under MCD-ST Liberty SW License Agreement V2, (the "License");
- K/ x' {6 T! P; F. }
; You may not use this file except in compliance with the License.
9 x% b/ B; D- L/ c! r
; You may obtain a copy of the License at:6 \/ K" ~7 z8 B" s* b9 r4 V' {
;
! ?6 f( e" d1 r! Y, z. G& u
; <a href="http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2" target="_blank">http://www.st.com/software_license_agreement_liberty_v2</a>
1 N1 [6 ]2 M$ U! t
; . {- J4 D0 s; w
; Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
' |' i0 I+ m, Y. w! S
; distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, . Z! X+ A5 e% t3 I2 U
; WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
; See the License for the specific language governing permissions and& b' P! J( Y( Y) E4 I0 p
; limitations under the License.. C, ?' h! |6 C' n Q1 {7 |
; ) C' A2 t5 V0 p9 k% q0 Y+ @4 s
;*******************************************************************************

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" {- I z/ x8 d! K: R2 ~
2. ; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
9 k- ^( H+ G5 J/ M
3. ; </h>! K4 s5 _" K% G/ ^" U) `# a
4.
& ~7 U$ A5 u- N* O, z
5. Heap_Size EQU 0x00000200$ G! K, l: _9 S1 t: j; c- b
6.
7 \! i/ W& {) w7 h; Z2 c. \' ^
7. AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
4 v8 j0 t& ?7 H8 {" q3 T1 M' }
8. __heap_base
9. Heap_Mem SPACE Heap_Size# p1 @4 l$ d5 W& m
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. PRESERVE8
. }4 O6 H! k2 e5 k( z8 l
2. THUMB
5 J- y& I0 K2 T% q# P& A2 U
3. - {4 g; o9 a+ i$ K2 {# t
4. 5 [: f. k; V( P
5. ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
) c- ?" b/ x, k' g
6. AREA RESET, DATA, READONLY
1 f2 R' X% K+ k9 y: B$ r
7. EXPORT __Vectors
& d- x7 f+ `5 h$ o% L2 p
8. EXPORT __Vectors_End
& v2 s8 j$ D) W6 V6 r9 x2 q& R
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 Stack
/ Q: m3 |6 R7 u3 H& G
2. DCD Reset_Handler ; Reset Handler B7 r) g* i" y- C4 z! u9 f( x
3. DCD NMI_Handler ; NMI Handler' W9 L; H& J, H8 T2 L
4. DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
# Y3 X6 {5 v+ _1 y
5.
6 F5 D! ~$ v: ]0 @2 v$ h
6. 中间部分省略未写
7 y7 p3 X0 S8 w$ R
7. 0 i/ f1 G+ v3 S& X2 A v
8. DCD 0 ; Reserved 1 v. W2 L' d& o: w7 P
9. DCD WAKEUP_PIN_IRQHandler ; Interrupt for all 6 wake-up pins
* p; W) b/ o [3 ]
10.
8 [+ t/ p9 _7 {5 j: ], ?. f
11.
6 e% a% H7 J5 w3 B, J z/ k4 Y4 d
12. __Vectors_End: K. |4 W' O! }, z
13. 4 |9 c1 u) s$ f2 Y: D! W) i
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, {9 y/ V: A" |9 x+ J7 h
2. 0 P0 i6 J6 A3 T ]/ W7 \) y
3. ; Reset handler
) H4 R6 U& E8 s. F0 Q4 W
4. Reset_Handler PROC
9 f$ `% B4 B8 `
5. EXPORT Reset_Handler [WEAK]: k4 b8 q/ a- I; i& u$ ]
6. IMPORT SystemInit x" k& r* b& H1 ~7 k
7. IMPORT __main
! D" y& Z" B. Y3 _" }
8.
+ C) n% b) U; ?
9. LDR R0, =SystemInit% W9 q3 Z* I6 M. A @; p1 N
10. BLX R0) H; u9 B0 E2 u0 V# k, E
11. LDR R0, =__main$ {5 t g7 R: u" P6 `
12. BX R0' E% v8 Z/ y- x0 @7 n4 t9 U! s/ ?
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)" h) k- S$ M' y9 t. a1 D# M, l
2.
6 V& h4 R) R6 B4 f, R7 r
3. NMI_Handler PROC
: Z2 C/ B% a6 D2 Y
4. EXPORT NMI_Handler [WEAK]5 F! v* J, D3 o1 U* V3 q; G
5. B . ( o) S& ]" \* m& H7 B
6. ENDP! h! d) Z" y5 B
7. HardFault_Handler\! n( I; {7 h4 j4 k, R
8. PROC! X4 j' E! `- E. }- m; Y
9. EXPORT HardFault_Handler [WEAK]
2 V, f2 |/ W( d# i7 g. _ J8 @
10. B .6 }4 S4 X# A& v$ H
11. ENDP
; u8 Q9 c4 F( _- }: U* k
12. 5 x! m( ]5 f$ i
13. 中间部分省略未写. g- z3 ]0 q. ^. v; s
14. Default_Handler PROC
; S! x0 E% k- Y% D# ?# S7 M
15.
* u9 E7 j- {) A' a+ r+ g
16. EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
# \6 m, N0 S: t
17. EXPORT PVD_AVD_IRQHandler [WEAK] 8 m, x& C& ]) x2 n1 D
18. EXPORT TAMP_STAMP_IRQHandler [WEAK]
4 `! b/ X o0 i
19. 中间部分省略未写, ]- h7 ^% k& F) I0 z$ [
20. SAI4_IRQHandler
( Y( T9 T! J K1 o) d3 G1 P
21. WAKEUP_PIN_IRQHandler
' _( }. S2 N& e$ |6 P
22. - n- n9 {9 x2 I3 _
23. B .
4 r C! P9 }4 v
24.
1 b6 B1 h4 j( `) [9 A4 `
25. ENDP8 b# r" `7 g* h% j) `6 O
26. / J! j, |: P) Z- m% v+ m) F- `
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. ;*******************************************************************************
* S# h4 l7 W: m" @
2. ; User Stack and Heap initialization
1 J0 Y2 Y2 m+ ]7 g- }
3. ;*******************************************************************************+ h* H' r$ C! a4 ~; K
4. IF :DEF:__MICROLIB , z) t3 n0 r0 d- R1 O% Z
5.
5 S6 K! P* \0 P$ R' D) J6 F
6. EXPORT __initial_sp 8 o7 m+ V/ P* f
7. EXPORT __heap_base ! e8 o1 F- |: p- j$ ^% |" B$ l
8. EXPORT __heap_limit $ f6 l* M, d, e- b, `
9.
0 @4 o4 K* @; I8 m& E5 m( y
10. ELSE
# `5 H: m- E& u8 p9 x# ^' J& `5 s) N
11.
6 y- e7 s3 n& Y
12. IMPORT __use_two_region_memory
2 d0 s! h5 w2 m6 E! m+ A( k
13. EXPORT __user_initial_stackheap , | z$ D9 i/ U" s# _$ i" v1 v
14.
9 f2 V" J/ f; j' v
15. __user_initial_stackheap
6 Q8 [# b6 u0 z+ L( F
16. g6 ?* A! `7 m5 P! d% U4 M8 M
17. LDR R0, = Heap_Mem 7 d2 |8 D# b8 L. b' \* D1 }
18. LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) 19. LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) * v' q! l" X' Z; s' t9 i' ~
20. LDR R3, = Stack_Mem ! t7 K7 t8 p& C7 y, g% O+ _
21. BX LR 0 S. h* X5 I' U9 z, i, d
22.
1 u L9 \( \: s% e) x
23. ALIGN
2 L% D6 ]0 Y+ A
24. 8 r6 O1 P, a$ y" [# P1 x9 ~' _& I
25. ENDIF
; v4 H+ T$ v: X/ {, v" j$ r
26. 7 _' \# g7 N5 V! K2 h
27. END

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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。