CortexM启动流程详解（GCC）

　　开发环境：
　　处理器：STM32F103
　　GCC：10。3。1
　　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CortexM3）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。
　　深入理解ARM寄存器：https：bruceou。blog。csdn。netarticledetails117866186
　　ARM汇编入门：https：bruceou。blog。csdn。netarticledetails117897496
　　Keil反编译入门（一）：https：bruceou。blog。csdn。netarticledetails118314875
　　Keil反编译入门（二）：https：bruceou。blog。csdn。netarticledetails118400368
　　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。初始化栈顶指针sp，进入C程序需要先设置栈地址，因为是通过函数调用进入C程序，需要用到栈空间。
　　2。设置PC指针
　　3。将Flash的data段拷贝到RAM中
　　4。配置系统时钟
　　5。调用C库函数libcinitarray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。1STM32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（MainFlash）启动：从STM32内置的Flash启动（0x080000000x0807FFFF），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（SystemMemory）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UARTCAN或USB等将代码写入STM32的内置Flash中。这段代码也被称为ISP（InSystemPrograming）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（0x200000000x3FFFFFFF），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。如下表所示。
　　TableBOOT启动模式
　　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。2STM32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startupstm32f103xe。s。当然还有一个链接文件，链接文件主要制定了入口函数，堆栈大小和数据段的整体布局。值得注意的是，对于MDK，也有相应的内存管理文件，只是MDK去做这个事情了，也就是sct分段加载。
　　启动文件主要有三个部分：定义各个内存地址，ResetHandler函数，中断向量表。
　　第32行：指明CPU的类型，这里的CPU核是CortexM。
　　第33行：表明浮点运算的类型，CortexM没有硬件FPU单元，因此这里是软件FPU。
　　第34行：指定了指令的类型为thumb。
　　第41行：data段地址的变量。
　　第43行：data段的起始地址。
　　第45行：data段的结束地址。
　　第47行：bss段的起始地址。
　　第49行：bss段的结束地址。
　　第6162行：定义新的代码段，并申明为weak函数。
　　第63行：将ResetHandler声明为函数。
　　第6769行：设置data段、bss段的地址
　　第71行：复制data段到RAM中
　　以上就是将Flash中的data段复制到RAM的整个过程，另外还有bss段的清零工作。
　　接下来就是进入C空间前做的一些准备。
　　第98行：初始化系统时钟。
　　第100行：初始化lib库
　　第102行：跳转main函数。
　　最后就是中断向量表的内容。
　　以上函数只是weak函数，并没有函数实体，如果外部有中断触发但是没有进入中断函数，会发现代码卡在了DefaultHandler函数里。因为外部没有定义同名函数，则都运行缺省DefaultHandler函数。
　　上述向量表可以在《Referencemanual》中找到的，笔者这里只截取了部分。
　　Table中断向量表
　　startupstm32f103xe。s文件是系统的启动文件，主要包括堆和栈的初始化配置、中断向量表的配置以及将程序引导到main（）函数等。
　　startupstm32f103xe。s主要完成三个工作：栈和堆的初始化、定位中断向量表、调用ResetHandler。3STM32的启动流程实例分析3。1Bootloader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ResetHandler，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。
　　FigureFlash存储分布
　　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。2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。
　　Figure初始化向量
　　这里通过JFlash打开hex文件。
　　FigureHex文件
　　硬件这时自动从0x08000000位置处读取数据赋给栈指针SP，然后自动从0x08000004位置处读取数据赋给PC，完成了复位操作，SP0x20010000，PC0x08000D95。
　　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《Referencemanual》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。3。3设置系统时钟
　　细心的朋友可能发现，PC0x08000D95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0x08000D95，并执行SystemInit函数初始化系统时钟。
　　接下来就会进入SystemInit函数中。
　　SystemInit函数内容如下：briefSetupthemicrocontrollersystemInitializetheEmbeddedFlashInterface，thePLLandupdatetheSystemCoreClockvariable。noteThisfunctionshouldbeusedonlyafterreset。paramNoneretvalNonevoidSystemInit（void）｛ResettheRCCclockconfigurationtothedefaultresetstate（fordebugpurpose）SetHSIONbitRCCCR0x00000001U；ResetSW，HPRE，PPRE1，PPRE2，ADCPREandMCObitsif！defined（STM32F105xC）！defined（STM32F107xC）RCCCFGR0xF8FF0000U；elseRCCCFGR0xF0FF0000U；endifSTM32F105xCResetHSEON，CSSONandPLLONbitsRCCCR0xFEF6FFFFU；ResetHSEBYPbitRCCCR0xFFFBFFFFU；ResetPLLSRC，PLLXTPRE，PLLMULandUSBPREOTGFSPREbitsRCCCFGR0xFF80FFFFU；ifdefined（STM32F105xC）defined（STM32F107xC）ResetPLL2ONandPLL3ONbitsRCCCR0xEBFFFFFFU；DisableallinterruptsandclearpendingbitsRCCCIR0x00FF0000U；ResetCFGR2registerRCCCFGR20x00000000U；elifdefined（STM32F100xB）defined（STM32F100xE）DisableallinterruptsandclearpendingbitsRCCCIR0x009F0000U；ResetCFGR2registerRCCCFGR20x00000000U；elseDisableallinterruptsandclearpendingbitsRCCCIR0x009F0000U；endifSTM32F105xCifdefined（STM32F100xE）defined（STM32F101xE）defined（STM32F101xG）defined（STM32F103xE）defined（STM32F103xG）ifdefDATAINExtSRAMSystemInitExtMemCtl（）；endifDATAINExtSRAMendififdefVECTTABSRAMSCBVTORSRAMBASEVECTTABOFFSET；VectorTableRelocationinInternalSRAM。elseSCBVTORFLASHBASEVECTTABOFFSET；VectorTableRelocationinInternalFLASH。endif｝
　　前面部分是配置时钟的，具体参考手册吧。
　　最终PLL的时钟位72MHz。
　　这里还需要注意以下代码：ifdefVECTTABSRAMSCBVTORSRAMBASEVECTTABOFFSET；VectorTableRelocationinInternalSRAM。elseSCBVTORFLASHBASEVECTTABOFFSET；VectorTableRelocationinInternalFLASH。endif
　　默认是没有开启VECTTABSRAM，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blmain，然后就跳转到main函数。
　　当然在此之前会初始化libc。
　　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0x08000000处读取栈顶地址并保存，然后从0x08000004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。