【STM32H7S78-DK】STM32H7S78启动流程详解(Keil版)

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开发环境：

IDE：MKD 5.38a

STM32CubeMX: V6.12.0

开发板：STM32H7S78-DK开发板

MCU：STM32H7S7L8H6H

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STM32H7S7L8H6H (基于Cortex-M7)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.net/article/details/117866186

ARM汇编入门：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/117897496

Keil反编译入门(一)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118314875

Keil反编译入门(二)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118400368

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：

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。
系统存储器(System Memory)启动：从系统存储器启动(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF)，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。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。
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。

用户可以通过设置BOOT0的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式。如下表所示。

Table 1-1 BOOT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。

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_stm32h7s7xx.s。

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

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32行：表示开辟栈的大小为 0X00000400（1KB），EQU是伪指令，相当于C 中的 define。

第34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35行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间，单位为字节。

第36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。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235行：__Vectors_End 为向量表结束地址。

第237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244行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。

第245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246-247行：表示该标号来自外部文件，SystemInit()是一个库函数，在system_stm32h7rsxx.c中定义的，__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，这个是由编译器完成的，该函数最终会调用我们自己写的main函数，从而进入C世界中。

第248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249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250行：和248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251行：和249稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。

第252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

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。

3.1 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= 0x0200 0400，PC = 0x0800 02C5。

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：

fromelf --bin --output=STM32H7S78-DK_Appli.bin STM32H7S78-DK_Appli/STM32H7S78-DK_Appli.axf

fromelf --text -a -c --output=STM32H7S78-DK_Appli.dis STM32H7S78-DK_Appli/STM32H7S78-DK_Appli.axf

然后重新编译，即可得到二进制文件STM32H7S78-DK_Appli.bin(以后会分析)、反汇编文件STM32F429.dis。

如下图所示：

3.2 设置系统时钟

细心的朋友可能发现，PC= 0x0800 02C5这里表明MCU运行的是THUMB模式，最低位为1表示为THUMB状态。然后在反汇编文件中却是这样的：

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：

/**

* @brief Setup the microcontroller system.

* @retval None

*/

void SystemInit(void)

{

/* Configure the Vector Table location -------------------------------------*/

SCB->VTOR = INTVECT_START;

/* FPU settings ------------------------------------------------------------*/

#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)

SCB->CPACR |= ((3UL << 20U)|(3UL << 22U)); /* set CP10 and CP11 Full Access */

#endif

}

这里主要初始化向量表。

3.3 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。

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。

llyygg

本帖最后由 llyygg 于 2024-9-22 17:18 编辑

比较详细，初入门者，很好。有细节，有图片，步骤介绍。