了解STM32启动过程，好优化程序

1 概述

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。

整体过程

    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

代码

    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）。

2 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。

    上图中：

• MSP初始值由编译器生成，是主堆栈的初始值。

• 初始化数据段是.data

• 未初始化数据段是.bss

    .data和.bss是在__main里进行初始化的，对于ARM Compiler，__main主要执行以下函数：

    其中__scatterload会对.data和.bss进行初始化。

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
   0x20000000　　加载到SRAM上的目的地址
   0x0000000c　　数据段的总大小
   0x080002f4　　调用函数_scatterload_copy

    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。

3 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

4 详细过程分析

    有了以上的基础，现在详细分析启动过程。

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：

1. SP = 0x02000810
   PC = 0x08000145

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。

软件设置SP

1. LDR   R0,=__main
   　　BX　　 R0

    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。

加载.data、.bss，并初始化栈区

1. BL.W     __scatterload_rt2 

    进入 __scatterload_rt2代码段。

1. __scatterload_rt2:
   0x080001684C06      LDR      r4,[pc,#24]  ; @0x08000184
   0x0800016A4D07      LDR      r5,[pc,#28]  ; @0x08000188
   0x0800016C E006      B        0x0800017C
   0x0800016E68E0      LDR      r0,[r4,#0x0C]
   0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   0x08000174 E8940007  LDM      r4,{r0-r2}
   0x080001784798      BLX      r3
   0x0800017A3410      ADDS     r4,r4,#0x10
   0x0800017C42AC      CMP      r4,r5
   0x0800017E D3F6      BCC      0x0800016E
   0x08000180 F7FFFFDA  BL.W     _main_init (0x08000138)

    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]
   0x08000170 F0400301  ORR      r3,r0,#0x01
   0x08000174
   0x080001784798      BLX      r3

    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:
   0x080002F4 E002      B        0x080002FC
   0x080002F6 C808      LDM      r0!,{r3}
   0x080002F81F12      SUBS     r2,r2,#4
   0x080002FA C108      STM      r1!,{r3}
   0x080002FC2A00      CMP      r2,#0x00
   0x080002FE D1FA      BNE      0x080002F6
   0x080003004770      BX       lr
                    __scatterload_null:
   0x080003024770      BX       lr
                    __scatterload_zeroinit:
   0x080003042000      MOVS     r0,#0x00
   0x08000306 E001      B        0x0800030C
   0x08000308 C101      STM      r1!,{r0}
   0x0800030A1F12      SUBS     r2,r2,#4
   0x0800030C2A00      CMP      r2,#0x00
   0x0800030E D1FB      BNE      0x08000308
   0x080003104770      BX       lr

跳转到C文件的main函数

1.                  _main_init:
   0x080001384800      LDR      r0,[pc,#0]  ; @0x0800013C
   0x0800013A4700      BX       r0

5 异常向量与中断向量表

1. ; VectorTableMapped to Address0 at Reset
                   AREA    RESET, DATA, READONLY
                   EXPORT  __Vectors
                   EXPORT  __Vectors_End
                   EXPORT  __Vectors_Size
   
   
   __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                   DCD     Reset_Handler; ResetHandler
                   DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                   DCD     HardFault_Handler; HardFaultHandler
                   DCD     MemManage_Handler; MPU FaultHandler
                   DCD     BusFault_Handler; BusFaultHandler
                   DCD     UsageFault_Handler; UsageFaultHandler
                   DCD     0; Reserved
                   DCD     0; Reserved
                   DCD     0; Reserved
                   DCD     0; Reserved
                   DCD     SVC_Handler                ; SVCallHandler
                   DCD     DebugMon_Handler; DebugMonitorHandler
                   DCD     0; Reserved
                   DCD     PendSV_Handler; PendSVHandler
                   DCD     SysTick_Handler; SysTickHandler
   
   
   ; ExternalInterrupts
                   DCD     WWDG_IRQHandler            ; WindowWatchdog
                   DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
                   DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
                   DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
                   DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
                   DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
                   DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line0
                   DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line1
                   DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line2
                   DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line3
                   DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line4
                   DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel1
                   DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel2
                   DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel3
                   DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel4
                   DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel5
                   DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel6
                   DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel7
                   DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
                   DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB HighPriority or CAN1 TX
                   DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB LowPriority or CAN1 RX0
                   DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
                   DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
                   DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line9..5
                   DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
                   DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
                   DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
                   DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 CaptureCompare
                   DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
                   DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
                   DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
                   DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
                   DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
                   DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
                   DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
                   DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
                   DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
                   DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
                   DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
                   DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
                   DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line15..10
                   DCD     RTCAlarm_IRQHandler; RTC Alarm through EXTI Line
                   DCD     USBWakeUp_IRQHandler; USB Wakeup from suspend
                   DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
                   DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
                   DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
                   DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 CaptureCompare
                   DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
                   DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
                   DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
                   DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
                   DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
                   DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
                   DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
                   DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
                   DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
                   DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
                   DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
                   DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
                   DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4& Channel5
   __Vectors_End

    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：
   
   
   NMI_Handler     PROC
                   EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                   B       .
                   ENDP
   
   
   
   
   stm32f10x_it.c中内容：
   void NMI_Handler(void)
   {
   }

    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。

6 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。

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
   
   
                    EXPORT  __initial_sp
                    EXPORT  __heap_base
                    EXPORT  __heap_limit
   
   
                    ELSE
   
   
                    IMPORT  __use_two_region_memory
                    EXPORT  __user_initial_stackheap
   
   
   __user_initial_stackheap
   
   
                    LDR     R0, =  Heap_Mem
                    LDR     R1, =(Stack_Mem+ Stack_Size)
                    LDR     R2, = (Heap_Mem+  Heap_Size)
                    LDR     R3, = Stack_Mem
                    BX      LR
   
   
                    ALIGN
   
   
                    ENDIF

    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：

1.                   __main:
   0x08000130 F000F802  BL.W     __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138)
   0x08000134 F000F83C  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
                    __scatterload_rt2_thumb_only:
   0x08000138 A00A      ADR      r0,{pc}+4; @0x08000164
   0x0800013A E8900C00  LDM      r0,{r10-r11}
   0x0800013E4482      ADD      r10,r10,r0
   0x080001404483      ADD      r11,r11,r0
   0x08000142 F1AA0701  SUB      r7,r10,#0x01
                    __scatterload_null:
   0x0800014645DA      CMP      r10,r11
   0x08000148 D101      BNE      0x0800014E
   0x0800014A F000F831  BL.W     __rt_entry_sh (0x080001B0)
   0x0800014E F2AF0E09  ADR.W    lr,{pc}-0x07; @0x08000147
   0x08000152 E8BA000F  LDM      r10!,{r0-r3}
   0x08000156 F0130F01  TST      r3,#0x01
   0x0800015A BF18      IT       NE
   0x0800015C1AFB      SUBNE    r3,r7,r3
   0x0800015E F0430301  ORR      r3,r3,#0x01
   0x080001624718      BX       r3
   0x080001640298      LSLS     r0,r3,#10
   0x080001660000      MOVS     r0,r0
   0x0800016802B8      LSLS     r0,r7,#10
   0x0800016A0000      MOVS     r0,r0
                    __scatterload_copy:
   0x0800016C3A10      SUBS     r2,r2,#0x10
   0x0800016E BF24      ITT      CS
   0x08000170 C878      LDMCS    r0!,{r3-r6}
   0x08000172 C178      STMCS    r1!,{r3-r6}
   0x08000174 D8FA      BHI      __scatterload_copy (0x0800016C)
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   0x08000178 BF24      ITT      CS
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   0x080001A24770      BX       lr
                    __rt_lib_init:
   0x080001A4 B51F      PUSH     {r0-r4,lr}
   0x080001A6 F3AF8000  NOP.W
                    __rt_lib_init_user_alloc_1:
   0x080001AA BD1F      POP      {r0-r4,pc}
                    __rt_lib_shutdown:
   0x080001AC B510      PUSH     {r4,lr}
                    __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:
   0x080001AE BD10      POP      {r4,pc}
                    __rt_entry_sh:
   0x080001B0 F000F82F  BL.W     __user_setup_stackheap (0x08000212)
   0x080001B44611      MOV      r1,r2
                    __rt_entry_postsh_1:
   0x080001B6 F7FFFFF5  BL.W     __rt_lib_init (0x080001A4)
                    __rt_entry_postli_1:
   0x080001BA F000F919  BL.W     main (0x080003F0)

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。