本帖最后由 KA_IX 于 2023-3-29 16:09 编辑

Cortex-M启动流程详解(Keil)

开发环境：
处理器：STM32F103
对于我们常用的桌面操作系统而言，我们在开发应用时，并不关心系统的初始化，绝大多数应用程序是在操作系统运行后才开始运行的，操作系统已经提供了一个合适的运行环境，然而对于嵌入式设备而言，在设备上电后，所有的一切都需要由开发者来设置，这里处理器是没有堆栈，没有中断，更没有外围设备，这些工作是需要软件来指定的，而且不同的CPU类型、不同大小的内存和不同种类的外设，其初始化工作都是不同的。本文将以STMF103(基于Cortex-M3)为例进行讲解。
在开始正式讲解之前，你需要了解ARM寄存器、汇编以及反编译相关的知识，这些可以参考笔者博文。
下面我们就来具体看一下用户从Flash启动STM32的过程，主要讲解从上电复位到main函数的过程。主要有以下步骤：
1.初始化堆栈指针 SP=_initial_sp，初始化 PC 指针=Reset_Handler
2.初始化中断向量表
3.配置系统时钟
4.调用 C 库函数_main 初始化用户堆栈，然后进入 main 函数。
在开始讲解之前，我们需要了解STM32的启动模式。

1 STM32的启动模式
首先要讲一下STM32的启动模式，因为启动模式决定了向量表的位置，STM32有三种启动模式：
1) 主闪存存储器(Main Flash)启动：从STM32内置的Flash启动(0x0800 0000-0x0807 FFFF)，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面，重启后也直接从这启动程序。
以0x08000000 对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x08000000 操作，且都是操作的同一块内存。
2)系统存储器(System Memory)启动：系统储存器指的是STM32的内置ROM，选择该启动模式后，内置ROM的起始地址将被重映射到0x00000000地址，代码在此处开始运行。ROM中有一段出厂预置的代码，这段代码起到一个桥的作用，允许外部通过UART/CAN或USB等将代码写入STM32的内置Flash中。这段代码也被称为ISP(In System Programing)代码，这种烧录代码的方式也被称为ISP烧录。
一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的ISP程序中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个ISP程序将用户程序下载到系统的Flash中。
以0x1FFFFFF0对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x1FFFFFF0操作，且都是操作的同一块内存。
3)片上SRAM启动：从内置SRAM启动(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。SRAM 只能通过0x20000000进行操作，与上述两者不同。从SRAM 启动时，需要在应用程序初始化代码中重新设置向量表的位置。该方法是在STM32的内置SRAM中启动，选择该启动模式后，内置SRAM的起始地址将被重映射到0x00000000地址，代码在此处开始运行。这种模式由于烧录程序过程中不需要擦写Flash，因此速度较快，适合调试，但是掉电丢失。
用户可以通过设置BOOT0和BOOT1的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式。如下图所示。


启动模式只决定程序烧录的位置，加载完程序之后会有一个重映射(映射到0x00000000地址位置)；真正产生复位信号的时候，CPU还是从开始位置执行。
值得注意的是STM32上电复位以后，代码区都是从0x00000000开始的，三种启动模式只是将各自存储空间的地址映射到0x00000000中。

2 STM32的启动文件分析

因为启动过程主要是由汇编完成的，因此STM32的启动的大部分内容都是在启动文件里。笔者的启动文件是startup_stm32f103xe.s，不管使用标准库还是使用HAL库，启动文件都是差不多的。
在分析之前，先看看需要用到的汇编指令。

指令	作用
EQU	取符号名（类似C #define)，同义词 *
AREA	指示编译器汇编一个新段（代码段或数据段）
SPACE	分配内存空间并填零。[标号] SPACE [表达式]， 同义词 %
PRESERVE8	按8字节对齐
EXPORT	声明全局，可被外部文件使用，同义词 GLOBAL
DCD	以字为单位分配内存，要求4字节对齐且初始化该内存
PROC	定义子程序，与ENDP成对使用，表示子程序结束 同义词 FUNCTION
WEAK	编译器特性。弱定义，优先使用外部文件定义的标号。
IMPORT	声明标号来自外部文件，类似于C extern
B	跳转到一个标号
ALIGN	编译器指令，对指令或数据存放地址进行对齐（一般跟一个立即数，缺省为4字节）
END	EOF，文件结束
IF,ELSE,ENDIF	条件分支

2.1 堆栈定义
1. Stack栈
栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。当程序较大时，需要修改栈的大小，不然可能会出现的HardFault的错误。

第33行：表示开辟栈的大小为 0X00000400（1KB），EQU是伪指令，相当于C 中的 define。这个 “指令” 并不会生产二进制程序代码，也不会引起变量空间分配。
第35行：开辟一段可读可写数据空间，ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。段名为STACK，可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可读可写，ALIGN=3，表示按照 8 字节对齐。
第36行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间，单位为字节。
第37行： __initial_sp表示栈顶地址。栈是由高向低生长的。
2.Heap堆
堆主要用来动态内存的分配，像 malloc()函数申请的内存就在堆中。

开辟堆的大小为 0X00000200（512 字节），名字为 HEAP，NOINIT 即不初始化，可读可写，8字节对齐。__heap_base 表示对的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。

2.2 向量表
向量表是一个WORD（ 32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。
值得注意的是这里有个另类：0号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值，后面会具体讲解。


第55行：定义一块代码段，段名字是RESET，READONLY 表示只读。
第56-58行：使用EXPORT将3个标识符申明为可被外部引用，声明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局属性。这几个变量在Keil分散加载时会用到。
第60行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。作用是开辟一段空间，其意义等价于 C 语言中的地址符 “&” 。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码，中断向量表存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常（也即是中断事件）发生时，CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC 程序计数器，之后就开始执行中断服务程序。在60行之后，依次定义了中断服务程序的入口地址。
第138行：__Vectors_End 为向量表结束地址。
第139行：__Vectors_Size则是向量表的大小，向量表的大小是通过__Vectors 和__Vectors_End 相减得到的。
上述向量表可以在《Reference manual》中找到的，笔者这里只截取了部分。


2.3 复位程序
复位程序是系统上电后执行的第一个程序，复位程序也是中断程序，只是这个程序比较特殊，因此单独提出来讲解。

第145行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。
第146行：使用EXPORT将Reset_Handler申明为可被外部引用，后面WEAK表示弱定义，如果外部文件定义了该标号则首先引用该标号，如果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位程序可以由用户在其他文件重新实现，这种写法在HAL库中是很常见的。
第149行：这是一条汇编指令，表示从存储器中加载SystemInit到一个寄存器R0的地址中。R0~R3 寄存器通常用于函数入参出参或子程序调用。
第150行：汇编指令，表示跳转到寄存器R0的地址，并根据寄存器的 LSE 确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到 LR。
第151行：和149行是一个意思，表示从存储器中加载__main到一个寄存器R0的地址中。
第152行：和150稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。
第153行：和PROC是对应的，表示程序的结束。
值得注意的是，这里的__main和C语言中的main()不是一样东西，__main是C lib中的函数，也就是在Keil中自带的；而main()函数是C的入口，main()会被__main调用。

2.4 中断服务程序
我们平时要使用哪个中断，就需要编写相应的中断服务程序，只是启动文件把这些函数留出来了，但是内容都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置罢了。

这部分没啥好说的，和服务程序类似的，只需要注意‘B .’语句，B表示跳转，这里跳转到一个‘.’，即表示无线循环。

2.5 堆栈初始化
堆栈初始化是由一个IF条件来实现的，MICROLIB的定义与否决定了堆栈的初始化方式。
这个定义是在Options->Target中设置的。

如果没有定义__MICROLIB ， 则会使用双段存储器模式，且声明了__user_initial_stackheap 具有全局属性，这需要开发者自己来初始化堆栈。

这部分也没啥讲的，需要注意的是，ALIGN表示对指令或者数据存放的地址进行对齐，缺省表示4字节对齐。
2.6 其他

第50行：PRESERVE8 用于指定当前文件的堆栈按照 8 字节对齐。
第51行：THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令。现在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集，THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超集。

3 STM32的启动流程实例分析
3.1 Bootloader的作用
根据BOOT引脚确定了启动方式后，处理器进行的第二大步就是开始从0x00000000地址处开始执行代码，而该处存放的代码正是Bootloader。
Bootloader，也可以叫启动文件，每一种微控制器(处理器)都必须有启动文件，启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间(称为启动过程)所必须进行的工作。最为常见的51，AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预启动过程，只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。同样，STM32微控制器，无论是MDK还是IAR开发环境，ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件。
启动文件中首先会定义堆栈，定义中断/异常向量表，而其中只实现了复位的异常处理函数Reset_Handler，该函数其主要功能除了初始化时钟，FPU等，还会执行一个重要功能，那就是内存的搬移、初始化操作。

我们知道烧录的镜像文件中包含只读代码段.text，已初始化数据段.data和未初始化的或者初始化为0的数据段.bss。代码段由于是只读的，所以是可以一直放在Flash中，CPU通过总线去读取代码执行就行，但是.data段和.bss段由于会涉及读写为了，为了更高的读写效率是要一定搬到RAM中执行的，因此Bootloader会执行很重要的一步，就是会在RAM中初始化.data和.bss段，搬移或清空相应内存区域。
当启动方式选择的是从内置Flash启动的时候，代码依旧是在Flash中执行，而数据则会被拷贝到内部SRAM中，该过程是由Bootloader完成的。Bootloader在完成这些流程之后，就会将代码交给main函数开始执行用户代码。
有了前面的分析，接下来就来具体看看STM32启动流程的具体内容。

3.3 初始化SP、PC、向量表
当系统复位后，处理器首先读取向量表中的前两个字（8 个字节），第一个字存入 MSP，第二个字为复位向量，也就是程序执行的起始地址。

这里通过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，完成了复位操作，SP= 0x2000 0400，PC = 0x0800 0145。
初始化SP、PC紧接着就初始化向量表，如果感觉看HEX文件抽象，我们看看反汇编文件吧。

是不是更容易些，是不是和《Reference manual》中的向量表对应起来了。其实看反汇编文件更好理解STM32的启动流程，只是有些抽象。
生成反汇编的方法如下。
在KEIL的User选项中，如下图添加这两项：然后重新编译，即可得到二进制文件STM32F103.bin(以后会分析)、反汇编文件STM32F103.dis。
如下图所示：


3.3 设置系统时钟
细心的朋友可能发现，PC=0x08000145的地址是没有对齐的。然后在反汇编文件中却是这样的：

这里是硬件自动对齐到 0x08000145，并执行SystemInit函数初始化系统时钟。
当然也可通过硬件调试来确认上面的分析：

接下来就会进入SystemInit函数中。

SystemInit函数内容如下：前面部分是配置时钟的，具体参考手册吧。
SetSysClock()函数主要配置的时钟系数，笔者使用的MCU是STM32F103ZE，因此对应的时钟配置参数如下。SetSysClockTo72()函数配置了各个参数，最终PLL的时钟位72MHz。
这里还需要注意以下代码：默认是没有开启VECT_TAB_SRAM，则从FLASH中启动，VTOR 寄存器存放的是中断向量表的起始地址，在IAP升级会修改这里的偏移量，后面讲解IAP升级在细讲吧。

3.4 初始化堆栈并进入main
执行指令LDR R0, =__main，然后就跳转到__main程序段运行，当然这里指标准库的__main函数。

这中间初始化了栈区。

这段代码是个循环（BCC 0x0800016e），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”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”的地址并跳转到该函数处运行。
最后就进入C文件的main函数中，至此，启动过程到此结束。
最后，总结下STM32 从flash的启动流程。
MCU上电后从0x0800 0000处读取栈顶地址并保存，然后从0x0800 0004读取中断向量表的起始地址，这就是复位程序的入口地址，接着跳转到复位程序入口处，初始向量表，然后设置时钟，设置堆栈，最后跳转到C空间的main函数，即进入用户程序。


来源：嵌入式实验楼