STM32：启动过程

前言

　　上电之后，CPU首先根据boot引脚选择存储器重映射区域，将该区域的地址重映射为地址偏移量为0；

　　CPU从地址偏移量为0的地址处开始执行；该地址烧录的代码必须是xx.s启动文件，使用汇编语言编写；

　　上电之后，具体步骤截图如下；执行完以下步骤之后单片机就可以开始使用外设，运行逻辑代码了；

　　

　　另外，MDK并没有将启动文件的所有配置开源，比如一部分的配置由__main闭源执行；

　　我们只能配置开源的一部分启动文件的参数；本文我们了解一下完整的启动流程及其原理；

1 boot的启动方式

 　　1.1 对于STM32的F0和F4开发板而言，一共有3种启动方式；以下的存储空间大小和地址是以大容量F1芯片作为参考的；不同芯片有一些差别；

　　　　注意下面存储空间大小的单位都是byte，这是因为内存的数据线是8bit的；内存的数据线和单片机的数据线是不同的总线；

boot[0:1]		启动地址	存储空间	启动方式	事项
[0:x]		0x0800 0000- 0x0807 FFFF	512K bytes	Flash启动	使用JTAG或SWD下载 较为常用;
[1:0]		0x1FFF F000- 0x1FFF F7FF	2K bytes	系统存储器启动	使用串口下载，代码是通过bootloader搬运到flash中； 该区域内存储了厂家烧录的bootloader程序(即ISP程序)，需要配合st提供的下载软件；
[1:1]		0x2000 0000- 0x2001 0000	64K bytes	内嵌SRAM启动	使用JTAG或SWD下载，仅支持调试模式；较为少用； 没有掉电存储程序的功能，需要添加宏定义VECT_TAB_SRAM，配合脚本文件使用；

　　1.2 对于 STM32H7x3 而言，只有一个boot引脚，配合BOOT_ADD0/BOOT_ADD1 的组合配置，可以让系统从两个不同的区域启动；

boot引脚	启动地址	默认值	默认值启动方式	事项
0	BOOT_ADD0[15:0]	0x0800	Flash启动	启动地址高16位由BOOT_ADD0寄存器决定，低16位为0x0000； BOOT_ADD0寄存器可以修改，修改后掉电不丢失； 0x0000 0000 到 0x3FFF 0000 的存储器地址都可以设置；
1	BOOT_ADD1[15:0]	0x1FF0	系统存储器启动

2 startup_stm32h743xx.s的堆栈

　　2.1 堆栈的汇编程序

;********************** 目的是分配数据段用来做"栈"**********************
; 表示即将声明数据段STACK用来做"栈"，不用填入初始数据，可读写，首地址按照2^3对齐(8字节对齐)；
Stack_Size      EQU     0x00001000
                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

; **********************目的是分配数据段用来做"堆"**********************
Heap_Size       EQU     0x0000800
                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

　　2.2 那么什么是堆栈呢？总结了一下，大概概括成了下面的表格形式；

STACK 栈		主要用来存储局部变量，变量的内存块；栈空间是从高地址开始向低地址生长的； 对于多级调用的函数入口地址，需要使用栈空间配合连接寄存器来存储主调函数的地址；
	Stack_Mem	表示栈的首地址，应该是给microLIB库使用的；
	__initial_sp	栈标号，表示栈顶地址；也就是栈的内存最大地址；
HEAP 堆		动态分配时使用的内存块；堆空间是从低地址向高地址生长的； 如果程序中没有使用到动态内存分配的话，编译器是不会编译出"堆"空间的；
	__heap_base	堆标号，表示"堆"的起始地址
	Heap_Mem	表示堆的首地址，应该是给microLIB库使用的；
	__heap_limit	堆标号，表示"堆"的结束地址

　　2.3 至于堆栈标号Stack_Mem和Stack_Size大概是标识堆栈地址给microLIB库使用的把，应该没什么用；如下所示

;MDK针对嵌入式推出了microLIB小型库，在功能上是用来替代C标准库的；
;下面代码的功能主要是决定要不要启用microLIB库；以下代码比较不重要；
                 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

 3 startup_stm32h743xx.s的中断向量表

;**************中断向量表*****************************************************************
                AREA    RESET, DATA, READONLY   ; 即将声明一个内存区域RESET，是数据段，只读；
                EXPORT  __Vectors               ; 声明"标识__Vectors"可以被外部文件调用
                EXPORT  __Vectors_End           ; 声明"标识__Vectors_End"可以被外部文件调用
                EXPORT  __Vectors_Size          ; 声明"标识__Vectors_Size"可以被外部文件调用

__Vectors       DCD     __initial_sp            ; 分配4字节内存，初始化为栈顶地址，该内存开始的地址标识为"__Vectors"
                DCD     Reset_Handler           ; 分配4字节内存，放入复位中断服务函数的"地址标识Reset Handler"
                DCD     NMI_Handler             ; 
                ;.....
                DCD     0                       ;                                                             
                DCD     WAKEUP_PIN_IRQHandler   ; 
__Vectors_End                                   ; 内存结束的地址标识为"__Vectors_End"

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors  ; 声明标识"__Vectors_Size"用来表示中断向量表的大小

;**************汇编代码段：上电复位中断服务程序举例***************************************************************
                AREA    |.text|, CODE, READONLY ; 即将声明一个内存区域.text，是代码段，只读；

Reset_Handler    PROC                           ;伪指令PROC和ENDP用来声明一个程序，当前程序段标识为"Reset_Handler"
                 EXPORT  Reset_Handler   [WEAK] ;声明当前程序可被外部函数调用，为弱函数
        IMPORT  SystemInit                      ;引入文件外部声明的函数SystemInit()
        IMPORT  __main                          ;引入文件外部声明的函数__main()
                 LDR     R0, =SystemInit        ;将32bit函数入口地址放入R0寄存器中？
                 BLX     R0                     ;跳转到R0寄存器内的地址去执行？
                 LDR     R0, =__main            ;__main为编译器自动生成的函数，主要是解析代码段table的数据，然后跳转到main函数执行，
                 BX      R0                     ;给需要初始化的变量和不需要初始化的变量分配堆栈运行空间；
                 ENDP                           ;

;**************汇编代码段：NMI中断服务程序举例***************************************************************
NMI_Handler     PROC                            ;
                EXPORT  NMI_Handler     [WEAK]  ;这里导入了中断服务程序，如果外部文件写了，那此处的弱函数就不使用了
                B       .                       ;B. 表示在这里跳转当前程序? 就是跳转到前面导入的程序
                ENDP                            ;

　　3.1 伪指令

　　　　相当于预处理器指令，编译器在编译时会进行替换,并不占用内存空间；

EQU	声明常数，汇编的常数单位不是bit，而是byte
AREA	表示即将分配一个数据段或代码段； 需要跟分配内存的SPACE指令一起使用；
EXPORT	声明为可被外部文件引用，主要提供给链接器用于连接库文件；
IMPORT	引入外部文件声明
WEAK	弱声明，如果外部文件有相同的声明，则编译外部文件的声明，不编译弱声明
ALIGN	声明编译器需要对指令或数据的存放地址进行对齐；默认缺省值为32bit对齐
PRESERVE8	当前文件的堆栈需按照8字节对齐，也就是64bit数据线对齐；
THUMB	表示接下来的指令都是thumb指令集，cm3,cm7采用的是thumb-2指令集，

　　3.2 汇编指令

SPACE	分配一段内存空间，并初始化这些内存空间为0； 需要跟声明内存属性的AREA伪指令一起使用；
DCD	Define Constant Double-words;分配4字节的内存空间用来存储一个32bit的数据；并初始化这些内存空间;
LDR	Load word；加载指令，将32bit数据存入目的寄存器中；
B	Branch，跳转到目标地址执行，执行指令集为ARM指令集
BX	Branch with Exchange；跳转到目的地址执行，并且指令集从ARM指令集切换到thumb指令集；
BLX	Branch with Link and Exchange；thumb-2兼容许多thumb指令，但是cortex-m3不支持当前指令；

　　3.3 注释

零散1	[地址]：地址加了[]，用来表示地址内的数据；
零散2	汇编指令中的常数都是地址，自然数的格式为#常数；

4 main函数的初始化

　　在配置外设之前，单片机首先还需要配置一下工作环境；主要涉及到以下几个c文件的函数；具体的话也不要求精确分析，轮廓了解一下；

　　4.1 stm32h7xx_hal.c

　　　　主要是IO电压的配置函数，boot引脚的启动配置，以及systick的hal库函数；

/* stm32h7xx_hal.h: line528: Peripheral Control functions  systick使用和配置，电压配置,boot配置等******************/
void HAL_IncTick(void);                        //SysTick_Handler()中断服务函数调用的函数，装载systick为1ms(HAL_TICK_FREQ_1KHZ),
void HAL_Delay(__IO uint32_t Delay);        　　//systick时钟延时,单位ms;
uint32_t HAL_GetTick(void);                
uint32_t HAL_GetTickPrio(void);
HAL_StatusTypeDef HAL_SetTickFreq(HAL_TickFreqTypeDef Freq);
HAL_TickFreqTypeDef HAL_GetTickFreq(void);
void HAL_SuspendTick(void);                    //挂起systick
void HAL_ResumeTick(void);                     //恢复systick
void HAL_SYSCFG_VREFBUF_VoltageScalingConfig(uint32_t VoltageScaling);　　　　//line575:配置IO口输出的电压范围

　　4.2 stm32h7xx_hal_rcc.c

　　　　主要是rcc相关的晶振使能，以及总线时钟的配置；以及一些查看配置参数的函数；

/*stm32h7xx_hal_rc.h    line2814*/
void HAL_RCC_DeInit(void);//复位RCC默认配置;使用HSI;关闭HSE,PLL;根据时钟树可知外设及总线为HSI-64Mhz
HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef *RCC_OscInitStruct);//配置晶振是否使能,以及PLL1不为sysclk时PLL1的参数配置;
HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency);//配置CPU(sysclk),AHB,APB..分频系数;

　　4.3 stm32h7xx_hal_cortex.c

　　　　主要是cortex内核的外设NVIC和MPU的配置函数；以及一些systick的使用函数；之后再分析内核外设的时候一起讲把；

　　　　不知道为什么在stm32h7xx_hal.c已经有systick的函数了，这里又有，没有将他们放一个文件里；先留着疑问；

5 小结

　　1)对于启动配置而言一直以来只使用过flash启动；感觉其他的具体也没试过，等需要的时候看看安富莱的视频把；

　　    之前由于代码配置错误导致芯片不能flash下载的时候，试过把boot引脚切换到ISP下载模式，然后使用SWD下载；

　　    当然下载之后是跑不起来的，然后再重新把boot引脚改为flash启动，此时芯片可以重新flash下载；

　　2)对于堆栈，注意一下，我们平常使用的局部数组什么的不要超出栈的内存大小，超出的话程序卡死，然后就跑不动了；

　　    平常说的push和pop应该只针对栈而言；如果堆也能push和pop，针对一整块动态内存，怎么搞呢？从低地址到高地址搞；

　　3)至于中断向量表，主要是从偏移量0地址处开始依次分配内存，用来存储各种中断服务程序入口地址；

　　  一些内核级别的中断程序的弱声明，这些程序除了Reset_Handler中断的弱函数执行了操作外，其他的都是循坏自己，使用时需要在用户程序中重新编写；

　　　后面还有外设中断服务程序的弱声明，这些外设中断服务程序执行都是不断递归循坏自己；使用时需要在用户程序中重新编写；

　　4)启动文件本质来说，除了分配中断向量表空间之外，只主动执行了一个Reset_Handler一个函数，

　　　Reset_Handler函数跳转到system_init函数执行，然后跳转到MDK的__main函数执行；其他的函数都是弱声明，不断递归调用自己，使用的话需要重新写函数；