一、概述
1、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。

# U) b; H9 @  I$ f% G

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。

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

# @+ \2 c: ^. e1 \: k, m

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）。

' ^6 N7 r' [: }! V% l$ l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。
- M- u$ [& L$ k7 O( S& `5 T% ?( X3 `

' Q! P( {& J7 B- g0 f6 H8 D7 h
) S% r* j/ v7 h8 m' d  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
; m& k6 T# l& f% r7 I  代码段　　　　　　　　　　存放代码
  初始化数据段　　　　　　　.
4 a' F$ ^; \4 N& e$ adata
  未初始化数据段　　　　　　.bss
+ b( h- a# z# ^0 p& m
加载数据段和初始化栈的参数
8 V: S3 G& x1 M* o8 K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
   
2. 0x20000000        加载到SRAM上的目的地址
   
3. 0x0000000c        数据段的总大小
     b% T) M: r) Y& @: c  @, J
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。
5 s* M  I* L" P/ v

  ^4 X4 k" l( V7 A
+ g6 ~+ ^# W# x9 n* _' \三、数据在SRAM上的结构
" N& x: [: H* m( w. @  D程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构


6 C% J/ e6 ~/ O# i' j) S6 g+ T1 y( b
四、详细过程分析
- D; b' i: n& D* e! P2 t有了以上的基础，现在详细分析启动过程。
* o  l+ J: @; X/ l& X
1、上电后硬件设置SP、PC
3 q* t# s5 V# p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：



+ z3 L& t; L. c  |1 s0 K# |0 d调试现象如下：



: k( \+ t" Y0 N+ a0 Z0 `3 K看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex文件）
4 R+ F+ h7 J/ G$ p- K


0 q" p- F6 A8 ^. J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：

) ^8 A5 N7 A7 R) I  SP =0x02000810
8 `/ s+ @) x. [/ J  PC =0x08000145

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。
' O7 v5 E& E  _- E9 U, o' a. V. O( p- ^
3、软件设置SP
: u% t0 `& U2 @9 W- m" |

1. LDR   R0,=__main
   
2. BX　　 R0

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, F& B8 x5 Q* [* 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。
- x* c  _: r2 Q5 T
可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，结果SP=0x2000 0810。
8 p$ @- B! j/ x) G5 V
4 K# n7 [* `2 Q# L4、加载.data、.bss，并初始化栈区
2 q0 c; Z' t% Y% H% d

1.    BL.W     __scatterload_rt2

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. J( g' {5 F. T; T) L# t$ c% y进入 __scatterload_rt2代码段。
9 ]+ r! F+ {" Y5 u% W' M# i

1. __scatterload_rt2:
   
2.   0x080001684C06                  LDR         r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   $ g$ F4 Q! {4 P$ p! n; f
3. 0x0800016A4D07                 LDR         r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   " D* ?3 \! G: l  k  e3 Q+ m
4. 0x0800016CE006                  B             0x0800017C
   3 g8 [4 V1 I1 G' Q, v6 f
5. 0x0800016E68E0                  LDR         r0,[r4,#0x0C]

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% Q, p- p; z4 y  y7 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：
9 o4 O& L0 k# v7 p6 v/ r7 b) Z+ G

1. 0x0800016E68E0               LDR             r0,[r4,#0x0C]
   7 K) {. p5 W) u( a7 e6 p% Y
2. 0x08000170   F0400301     ORR             r3,r0,#
   
3. 0x010x08000174
   7 v- Z; k, \4 S* \# P- o
4. 0x080001784798                BLX              r3

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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:
     K: a. z6 H9 b
2. 0x080002F4  E002              B              0x080002FC
   2 @; Q& L+ K5 z  i
3. 0x080002F6  C808             LDM           r0!,{r3}
   - g2 u  h% T- u" H( I0 U; V
4. 0x080002F81F12                SUBS         r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA  C108             STM            r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC2A00               CMP            r2,#0x00
   : R( M+ }6 m  E' E3 Z0 M9 ?
7. 0x080002FE   D1FA             BNE            0x080002F6
   $ H; h. O4 s1 j! f$ C# ^
8. 0x080003004770                 BX              lr
   + d5 M& y" m$ t( B' }' \
9. __scatterload_null:
   & V2 W9 d/ B7 B5 R; \3 B
10. 0x080003024770                   BX             lr
    % N# ?$ q  c$ F% v; p/ V' k% p) A
11. __scatterload_zeroinit:
    
12. 0x080003042000                  MOVS          r0,#0x00
    
13. 0x08000306  E001                 B               0x0800030C
    
14. 0x08000308  C101              STM               r1!,{r0}
    ' n) e  k7 |: _9 A0 \* x1 w" v/ F
15.   0x0800030A1F12                SUBS             r2,r2,#4
    
16. 0x0800030C2A00                CMP             r2,#0x00
    
17.   0x0800030E   D1FB             BNE              0x08000308
    " r; ?/ C, W5 E" ?  V  @. P
18. 0x080003104770                 BX                    lr

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五、异常向量与中断向量表
2 s# ^' n- o' f3 Z( r. |, L
' }6 u' \8 s+ o6 b$ _/ [


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。
5 O6 j) z7 X, W! }, }+ ]4 C
! O" L+ Z& _- P. d3 g2 W

1. startup_stm32f10x_hd.s内容：
   
2. N MI_Handler     PROC
   + x3 ?" [  Z, c% x* [
3.                          EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
4.                          B       .
   $ L) a' O* a: F
5.                          ENDP

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3 @8 U6 E  C  X: s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。

4 b1 y( X1 E. C0 T6 D, s六、使用微库与不使用微库的区别



: |) X# l4 b# F- {3 a* w, W2 @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。

1、不使用微库而使用系统库
, ^) @7 U% x0 ?" {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。
% R; r$ d7 |2 Q  o+ l. f
% u; j4 r" E" H, v" D0 h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。
" O' h: w( n8 t0 W9 x

1. IF      :DEF:__MICROLIB
   0 }9 d- q' J8 H! P8 M4 t7 f
2. 
   
3.                  EXPORT  __initial_sp
   
4. 
   
5.                  EXPORT  __heap_base
   ! b  o: Q6 D+ ^( y  S, o3 D
6. 
   
7.                  EXPORT  __heap_limit
   
8. 
   . D! v  t/ F- u
9.                  ELSE
   ; j! t1 p1 W8 B5 Q, I' j
10. 
    
11.                  IMPORT  __use_two_region_memory
    1 Z* |5 C* m: I  N6 h! c. t
12. 
    & U: f" C6 z" p. }
13.                  EXPORT  __user_initial_stackheap
    1 S6 A, f! M: j8 f! y' }9 o
14. 
    ) j% X. |9 R8 n7 V
15. __user_initial_stackheap
    3 X2 M; y- S1 t7 ?5 t) ]( {  ^2 T
16. 
    . s( ~' Z0 F1 k: ^
17. LDR     R0, =Heap_Mem
    
18. LDR     R1, =(Stack_Mem+Stack_Size)
    
19. LDR     R2, = (Heap_Mem+Heap_Size)
    
20.                  LDR     R3, =Stack_Mem
    
21. BX      LR
    
22. 
    
23.                  ALIGN
    
24. 
    * m/ Z1 m# }( c5 i2 c: ?$ p
25.                  ENDIF

复制代码

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：
, b6 a& t2 \( Q; o. q, N- Y
+ _2 R" B4 X4 s! K) \% b


' _2 K; _8 q  E2 l2 L( i! F, q
2、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。
$ g2 \0 W0 S* O' u9 d/ T+ k! X; A
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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$ O+ U) u" S9 p* S, A5 i