一、概述
  L/ P% e% N/ F) F1、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。

3 h4 N: c  }% l. x5 k

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。

$ y8 \5 k- G* y2 ~( _, N, F# d

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

. X3 P! G/ p3 A

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）。
8 Y7 b. l8 z4 z1 M
二、程序在Flash上的存储结构
' w5 H# Y( u, N8 X! ~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。

/ Z" ~9 k% j- X2 s8 O- p- I

  MSP初始值　　　　　　　　编译器生成，主堆栈的初始值
  异常向量表　　　　　　　　不多说
/ p8 T6 t* d3 r  外部中断向量表　　　　　　不多说
  代码段　　　　　　　　　　存放代码
  初始化数据段　　　　　　　.
data
  未初始化数据段　　　　　　.bss
" U. q5 r( {3 [: U' d
加载数据段和初始化栈的参数
) x$ [7 z  q/ P7 L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。
4 x! X7 [- H& m: P& \  N7 I  L

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
   1 q1 f* z: m! l& ?, F
2. 0x20000000        加载到SRAM上的目的地址
   
3. 0x0000000c        数据段的总大小
   
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。


: `* I* H- }0 e* R4 V$ n
8 M1 C: m3 `7 E& H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


( b; j" ~/ N/ G- V; x1 _
四、详细过程分析
有了以上的基础，现在详细分析启动过程。
6 c1 E# I9 `( p5 a! ^/ B
( X' q4 D2 Q  k# |1、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：
/ i! @- o! l3 D' Q9 U+ g& A

  a6 h: ^; D& L1 T# a
调试现象如下：


/ g% G- _( j' r, P4 `
( W8 ]) L/ C1 y- `! ]看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）



/ ^0 Q8 u, F& b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：
6 m# Z% t) x, {
3 o! k5 A7 j, \8 s  SP =0x02000810
  PC =0x08000145
& p+ ~' p1 ~* t
2、设置系统时钟
& ~% `% e, A* s* g& Z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。

% E+ }+ h! }- N9 R) f3、软件设置SP
! `' R, N% G' Z, U

1. LDR   R0,=__main
   
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。
9 U! j0 |7 j+ d) ~7 ?
" b4 u# p2 h2 t可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，结果SP=0x2000 0810。

& z- z! g' h* T( R, T4、加载.data、.bss，并初始化栈区

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
   
3. 0x0800016A4D07                 LDR         r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   ! u6 q9 b$ E5 {
4. 0x0800016CE006                  B             0x0800017C
   
5. 0x0800016E68E0                  LDR         r0,[r4,#0x0C]

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：
7 W+ t. i$ r; M/ n. o1 s7 z

1. 0x0800016E68E0               LDR             r0,[r4,#0x0C]
   $ s. b* f3 ?$ \- e4 d1 H% ]3 b  k
2. 0x08000170   F0400301     ORR             r3,r0,#
   
3. 0x010x08000174
   
4. 0x080001784798                BLX              r3

复制代码

9 E% q3 p& z2 y9 m
: \5 h# h0 Z" ^  ~- v) @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：

. X9 D1 w0 @  ~0 T2 T
# |# @! f5 b3 y$ ^

1.   __scatterload_copy:
   7 D6 d" k; a- f' A( R$ z8 f# [
2. 0x080002F4  E002              B              0x080002FC
   + M, N1 z8 Y( x+ }" D- f
3. 0x080002F6  C808             LDM           r0!,{r3}
   
4. 0x080002F81F12                SUBS         r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA  C108             STM            r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC2A00               CMP            r2,#0x00
   , N' @1 Y5 T- g% i: \5 d
7. 0x080002FE   D1FA             BNE            0x080002F6
   5 _/ s! N, S* q) n5 M: s# b! Y
8. 0x080003004770                 BX              lr
   # W' S- U3 a7 v' `9 g
9. __scatterload_null:
   
10. 0x080003024770                   BX             lr
    
11. __scatterload_zeroinit:
    
12. 0x080003042000                  MOVS          r0,#0x00
    9 V) L. h" M, }5 @  T/ }. N
13. 0x08000306  E001                 B               0x0800030C
    : N9 t4 U5 C( i9 B/ n
14. 0x08000308  C101              STM               r1!,{r0}
    7 D- q6 A7 w/ Q
15.   0x0800030A1F12                SUBS             r2,r2,#4
    * w* l- K: q8 W5 t
16. 0x0800030C2A00                CMP             r2,#0x00
    $ e  _& g% Z; q; _( Y' |# T
17.   0x0800030E   D1FB             BNE              0x08000308
    - g* \/ _/ ]& k6 r
18. 0x080003104770                 BX                    lr

复制代码

五、异常向量与中断向量表

' Y! r/ Z: w( N1 r0 Q8 ]. _# l1 G


2 Q$ s1 w3 j# E8 ?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. N MI_Handler     PROC
   7 g, Z2 q. c2 c  f, \7 X
3.                          EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
4.                          B       .
   ; b- f, R( v5 ~+ m  a1 k5 p! k3 i
5.                          ENDP

复制代码

: H" m& Y" l! S) v, P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。
, r8 V5 m6 f9 T: Q! F1 `0 [
六、使用微库与不使用微库的区别
; |% v* C% T0 M. X" p  a

5 Y: p: i2 z' Z+ h( s
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。
' G3 c* C7 r  j- }
3 N! i) S$ c  h* H/ e9 \5 Y1、不使用微库而使用系统库
. n, l1 o# |6 _( s+ F0 \0 R. B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
   * Y! p6 {' E6 P+ x9 D
2. 
   2 L8 l' I5 o& C. Y% \& R1 V
3.                  EXPORT  __initial_sp
   & G, N; w; a- D1 f- N
4. 
   
5.                  EXPORT  __heap_base
   
6. 
   
7.                  EXPORT  __heap_limit
   
8. 
   
9.                  ELSE
   
10. 
    
11.                  IMPORT  __use_two_region_memory
    
12. 
    
13.                  EXPORT  __user_initial_stackheap
    
14. 
    
15. __user_initial_stackheap
    
16. 
    
17. LDR     R0, =Heap_Mem
    : x" L' ^9 t* {) m# |1 I! D
18. LDR     R1, =(Stack_Mem+Stack_Size)
    5 R4 D% k" J! s5 R
19. LDR     R2, = (Heap_Mem+Heap_Size)
    
20.                  LDR     R3, =Stack_Mem
    6 S) A: V2 ^% Z* Q
21. BX      LR
      P& U' ^6 J7 X. K9 w0 p) @. y
22. 
    : E/ A6 H$ ^' t% [4 k* {
23.                  ALIGN
    8 ]. I" v8 ]) _) A  q" A$ x3 ^
24. 
    
25.                  ENDIF

复制代码

0 v% \' z% \- @! Y) k0 ?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：



5 v9 t+ u! [* k, L( A6 q
. p* X3 {3 s/ f
# l) v" m9 T/ X1 O* t2、使用微库而不使用系统库
+ G: y4 E# ]( x1 e; L. \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。

' D# g/ s4 T% E$ a$ f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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) c' I! {5 k5 m. m. K
+ s" `/ f+ C* H5 N1 q