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。

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

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）。

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。



  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
  代码段　　　　　　　　　　存放代码
  初始化数据段　　　　　　　.
data
  未初始化数据段　　　　　　.bss

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
   
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

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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。



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



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
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：

  SP =0x02000810
  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。

3、软件设置SP

1. LDR   R0,=__main
   
2. BX　　 R0

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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

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进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   
2.   0x080001684C06                  LDR         r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   
3. 0x0800016A4D07                 LDR         r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   
4. 0x0800016CE006                  B             0x0800017C
   
5. 0x0800016E68E0                  LDR         r0,[r4,#0x0C]

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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]
   
2. 0x08000170   F0400301     ORR             r3,r0,#
   
3. 0x010x08000174
   
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:
   
2. 0x080002F4  E002              B              0x080002FC
   
3. 0x080002F6  C808             LDM           r0!,{r3}
   
4. 0x080002F81F12                SUBS         r2,r2,#4
   
5. 0x080002FA  C108             STM            r1!,{r3}
   
6. 0x080002FC2A00               CMP            r2,#0x00
   
7. 0x080002FE   D1FA             BNE            0x080002F6
   
8. 0x080003004770                 BX              lr
   
9. __scatterload_null:
   
10. 0x080003024770                   BX             lr
    
11. __scatterload_zeroinit:
    
12. 0x080003042000                  MOVS          r0,#0x00
    
13. 0x08000306  E001                 B               0x0800030C
    
14. 0x08000308  C101              STM               r1!,{r0}
    
15.   0x0800030A1F12                SUBS             r2,r2,#4
    
16. 0x0800030C2A00                CMP             r2,#0x00
    
17.   0x0800030E   D1FB             BNE              0x08000308
    
18. 0x080003104770                 BX                    lr

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五、异常向量与中断向量表




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
   
3.                          EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
   
4.                          B       .
   
5.                          ENDP

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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。

六、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。

1、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
   
2. 
   
3.                  EXPORT  __initial_sp
   
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
    
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. 
    
25.                  ENDIF

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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：





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。

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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