一、概述
; o# O, o4 x8 D: W/ e* W& B1、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。

, g+ Q5 B) K6 e. j7 ?( b

2、整体过程概括

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

3、整个启动过程涉及的代码推荐阅读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）。
, g$ t$ ]# v4 l
" a) m$ U- `& V8 d- M4 r3 }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。
0 _4 y, _# \7 n. x


5 A; B  n& W: O  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
) B9 L3 m8 \3 c2 O" i3 ?, V8 s  代码段　　　　　　　　　　存放代码
/ E: y8 U7 D3 i" o  初始化数据段　　　　　　　.
data
6 ?7 j+ E' T0 x7 b, m7 t: D  未初始化数据段　　　　　　.bss
9 D. g) p# B6 o; @0 [2 _
加载数据段和初始化栈的参数
7 W6 D# Z7 O2 r' p8 H. l: M) ?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。
0 H4 m/ K+ V* p7 Y+ o* e$ c9 v

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
   
2. 0x20000000        加载到SRAM上的目的地址
   # t; a% j+ p" g* u1 E; u6 d' d
3. 0x0000000c        数据段的总大小
   
4. 0x080002f4         调用函数_scatterload_copy

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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。

$ B  Z1 _# r+ I2 x; W
: t% }, \0 H& d. p1 w& ^9 z
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

: D" ^% O; b1 T" Y! r) g) i1 I
' y& I* J, K+ S& C! m! q- ?. \
& o& L( Z+ r6 S  \% p# ]: ^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
& `4 Q% d7 e) B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：
; C8 r( a* H, T. a( ~! s1 G


调试现象如下：

7 b, l" u+ ^! S) {; I8 v. P! R0 w

4 r& R& Z6 N5 Z看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）
. E9 Z+ P% A) ~
- ~$ K) T3 t! y& w

% R/ y& B+ {0 H! x4 Y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：
$ Y8 S- x* L  u# u
  SP =0x02000810
$ X, s. }+ ]' z( E+ V4 r  PC =0x08000145
! }) w  c3 f7 X7 I) {+ q8 P( V
2、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。
, P+ k, u1 H/ I8 N8 Y4 s" W- o$ C
8 M* h) Z. V( |0 p* R3、软件设置SP
( |2 U  L3 F% n) l2 z( Q
" R# {- T; Q" q3 N3 ^

1. LDR   R0,=__main
   
2. BX　　 R0

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) {* a- R+ G# V* a5 R% f% g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

! G3 ~6 |3 i  y$ @, i( t# k( X* X进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   & u- F" \# }* Z) n/ d
2.   0x080001684C06                  LDR         r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   ( A) k, q; J3 H# [) W
3. 0x0800016A4D07                 LDR         r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   " {; n" W6 L- h' g# i
4. 0x0800016CE006                  B             0x0800017C
   
5. 0x0800016E68E0                  LDR         r0,[r4,#0x0C]

复制代码

; U) a* ^' }# Y: @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：
$ m% J0 E  ^0 y; J

1. 0x0800016E68E0               LDR             r0,[r4,#0x0C]
   - S1 ]6 `, Q- A$ {% F& L- D, Y
2. 0x08000170   F0400301     ORR             r3,r0,#
   * L) ?3 S2 \4 `8 F
3. 0x010x08000174
   0 o* R3 n: w) ?% Y. z; x% _, C7 H
4. 0x080001784798                BLX              r3

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" |' K$ K7 f0 D2 Q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：
; u( ~/ t/ H+ A  q  e' b& J
& d  c9 q/ T* C8 P- ?# B

1.   __scatterload_copy:
   6 V$ C5 J) M& k( ^
2. 0x080002F4  E002              B              0x080002FC
   
3. 0x080002F6  C808             LDM           r0!,{r3}
   
4. 0x080002F81F12                SUBS         r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA  C108             STM            r1!,{r3}
   7 ?0 M( b5 ~& `9 N# _! w+ q
6. 0x080002FC2A00               CMP            r2,#0x00
   
7. 0x080002FE   D1FA             BNE            0x080002F6
   % X6 n2 L) h( j# {1 V- S- X
8. 0x080003004770                 BX              lr
   ) ^: Q# Q. b, |
9. __scatterload_null:
   * k5 G3 x* X- \& s$ a: k
10. 0x080003024770                   BX             lr
    
11. __scatterload_zeroinit:
    9 k9 g( e' ~, x4 P
12. 0x080003042000                  MOVS          r0,#0x00
    
13. 0x08000306  E001                 B               0x0800030C
    
14. 0x08000308  C101              STM               r1!,{r0}
    
15.   0x0800030A1F12                SUBS             r2,r2,#4
    # g3 n/ V' c: N  s. S
16. 0x0800030C2A00                CMP             r2,#0x00
    
17.   0x0800030E   D1FB             BNE              0x08000308
    
18. 0x080003104770                 BX                    lr

复制代码

6 @7 Z' Y& e& U3 |. G# s& b$ m+ ?7 B五、异常向量与中断向量表
2 o  d# @1 J5 N: N5 L


: g% @) O6 E# N
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。
  P# N. F  h$ G7 m& k; `% _
0 u; ], c9 _  M) ~" E3 Q

1. startup_stm32f10x_hd.s内容：
   
2. N MI_Handler     PROC
   % H5 u" Y+ g  c2 Q: p8 g; G
3.                          EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
4.                          B       .
   5 o7 V& w. X1 c
5.                          ENDP

复制代码

8 c) @+ n* h0 ?* B7 S1 i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。

8 ]+ l2 Q: _; J六、使用微库与不使用微库的区别
6 _* L# v0 b$ M# ?" G. f9 _
& t3 I0 R# Y5 s3 B
0 ^6 }- [. N2 X5 E; e
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。
( i- b. [/ k) i$ X- }3 N! ~
1、不使用微库而使用系统库
1 b& r4 F8 F/ S2 m: W: ]; B$ L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。
7 p3 D. c6 w0 L6 F) V
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. 
   9 D: S# P; j* u) g! i8 d
5.                  EXPORT  __heap_base
   
6. 
   2 |* y( d3 W& x& C0 w: c- {$ K
7.                  EXPORT  __heap_limit
   / q6 X- ~1 v% z" _0 U2 o
8. 
   
9.                  ELSE
   
10. 
    3 E1 p4 d0 S5 k/ G' f0 G7 O3 ~
11.                  IMPORT  __use_two_region_memory
    - J; W' ~; N) f, R
12. 
    ; E+ E" T) M7 u3 f0 E! O! f
13.                  EXPORT  __user_initial_stackheap
    
14. 
    
15. __user_initial_stackheap
    & p7 ?  L; t$ ~" |
16. 
    9 n( P6 V  @9 I$ Q& R. Y
17. LDR     R0, =Heap_Mem
    
18. LDR     R1, =(Stack_Mem+Stack_Size)
    ( g/ o" ~5 b0 N$ x: P' _
19. LDR     R2, = (Heap_Mem+Heap_Size)
    ! r  f! ?6 m" I: a7 O! i
20.                  LDR     R3, =Stack_Mem
    
21. BX      LR
    6 u7 Q( s+ y- S  [
22. 
    ! o# F/ \- j* ^" G
23.                  ALIGN
    
24. 
    
25.                  ENDIF

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  f1 P" U! z+ z! E* x& Z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：
0 [  v+ e' e: D4 W1 q


' Y) T8 V2 N, }- @! Z$ S

2、使用微库而不使用系统库
8 P/ E) ]& w$ Y+ _" p  @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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; i3 i/ M/ ?, C5 c

2 ], @; S' N% g! r2 c; q5 C6 D7 v
  S: ^9 \" Z) N2 E! b8 W