STM32：啟動過程

前言

　　上電之后，CPU首先根據boot引腳選擇存儲器重映射區域，將該區域的地址重映射為地址偏移量為0；

　　CPU從地址偏移量為0的地址處開始執行；該地址燒錄的代碼必須是xx.s啟動文件，使用匯編語言編寫；

　　上電之后，具體步驟截圖如下；執行完以下步驟之后單片機就可以開始使用外設，運行邏輯代碼了；

　　

　　另外，MDK並沒有將啟動文件的所有配置開源，比如一部分的配置由__main閉源執行；

　　我們只能配置開源的一部分啟動文件的參數；本文我們了解一下完整的啟動流程及其原理；

1 boot的啟動方式

 　　1.1 對於STM32的F0和F4開發板而言，一共有3種啟動方式；以下的存儲空間大小和地址是以大容量F1芯片作為參考的；不同芯片有一些差別；

　　　　注意下面存儲空間大小的單位都是byte，這是因為內存的數據線是8bit的；內存的數據線和單片機的數據線是不同的總線；

boot[0:1]		啟動地址	存儲空間	啟動方式	事項
[0:x]		0x0800 0000- 0x0807 FFFF	512K bytes	Flash啟動	使用JTAG或SWD下載 較為常用;
[1:0]		0x1FFF F000- 0x1FFF F7FF	2K bytes	系統存儲器啟動	使用串口下載，代碼是通過bootloader搬運到flash中； 該區域內存儲了廠家燒錄的bootloader程序(即ISP程序)，需要配合st提供的下載軟件；
[1:1]		0x2000 0000- 0x2001 0000	64K bytes	內嵌SRAM啟動	使用JTAG或SWD下載，僅支持調試模式；較為少用； 沒有掉電存儲程序的功能，需要添加宏定義VECT_TAB_SRAM，配合腳本文件使用；

　　1.2 對於 STM32H7x3 而言，只有一個boot引腳，配合BOOT_ADD0/BOOT_ADD1 的組合配置，可以讓系統從兩個不同的區域啟動；

boot引腳	啟動地址	默認值	默認值啟動方式	事項
0	BOOT_ADD0[15:0]	0x0800	Flash啟動	啟動地址高16位由BOOT_ADD0寄存器決定，低16位為0x0000； BOOT_ADD0寄存器可以修改，修改后掉電不丟失； 0x0000 0000 到 0x3FFF 0000 的存儲器地址都可以設置；
1	BOOT_ADD1[15:0]	0x1FF0	系統存儲器啟動

2 startup_stm32h743xx.s的堆棧

　　2.1 堆棧的匯編程序

;********************** 目的是分配數據段用來做"棧"**********************
; 表示即將聲明數據段STACK用來做"棧"，不用填入初始數據，可讀寫，首地址按照2^3對齊(8字節對齊)；
Stack_Size      EQU     0x00001000
                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

; **********************目的是分配數據段用來做"堆"**********************
Heap_Size       EQU     0x0000800
                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

　　2.2 那么什么是堆棧呢？總結了一下，大概概括成了下面的表格形式；

STACK 棧		主要用來存儲局部變量，變量的內存塊；棧空間是從高地址開始向低地址生長的； 對於多級調用的函數入口地址，需要使用棧空間配合連接寄存器來存儲主調函數的地址；
	Stack_Mem	表示棧的首地址，應該是給microLIB庫使用的；
	__initial_sp	棧標號，表示棧頂地址；也就是棧的內存最大地址；
HEAP 堆		動態分配時使用的內存塊；堆空間是從低地址向高地址生長的； 如果程序中沒有使用到動態內存分配的話，編譯器是不會編譯出"堆"空間的；
	__heap_base	堆標號，表示"堆"的起始地址
	Heap_Mem	表示堆的首地址，應該是給microLIB庫使用的；
	__heap_limit	堆標號，表示"堆"的結束地址

　　2.3 至於堆棧標號Stack_Mem和Stack_Size大概是標識堆棧地址給microLIB庫使用的把，應該沒什么用；如下所示

;MDK針對嵌入式推出了microLIB小型庫，在功能上是用來替代C標准庫的；
;下面代碼的功能主要是決定要不要啟用microLIB庫；以下代碼比較不重要；
                 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的中斷向量表

;**************中斷向量表*****************************************************************
                AREA    RESET, DATA, READONLY   ; 即將聲明一個內存區域RESET，是數據段，只讀；
                EXPORT  __Vectors               ; 聲明"標識__Vectors"可以被外部文件調用
                EXPORT  __Vectors_End           ; 聲明"標識__Vectors_End"可以被外部文件調用
                EXPORT  __Vectors_Size          ; 聲明"標識__Vectors_Size"可以被外部文件調用

__Vectors       DCD     __initial_sp            ; 分配4字節內存，初始化為棧頂地址，該內存開始的地址標識為"__Vectors"
                DCD     Reset_Handler           ; 分配4字節內存，放入復位中斷服務函數的"地址標識Reset Handler"
                DCD     NMI_Handler             ; 
                ;.....
                DCD     0                       ;                                                             
                DCD     WAKEUP_PIN_IRQHandler   ; 
__Vectors_End                                   ; 內存結束的地址標識為"__Vectors_End"

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors  ; 聲明標識"__Vectors_Size"用來表示中斷向量表的大小

;**************匯編代碼段：上電復位中斷服務程序舉例***************************************************************
                AREA    |.text|, CODE, READONLY ; 即將聲明一個內存區域.text，是代碼段，只讀；

Reset_Handler    PROC                           ;偽指令PROC和ENDP用來聲明一個程序，當前程序段標識為"Reset_Handler"
                 EXPORT  Reset_Handler   [WEAK] ;聲明當前程序可被外部函數調用，為弱函數
        IMPORT  SystemInit                      ;引入文件外部聲明的函數SystemInit()
        IMPORT  __main                          ;引入文件外部聲明的函數__main()
                 LDR     R0, =SystemInit        ;將32bit函數入口地址放入R0寄存器中？
                 BLX     R0                     ;跳轉到R0寄存器內的地址去執行？
                 LDR     R0, =__main            ;__main為編譯器自動生成的函數，主要是解析代碼段table的數據，然后跳轉到main函數執行，
                 BX      R0                     ;給需要初始化的變量和不需要初始化的變量分配堆棧運行空間；
                 ENDP                           ;

;**************匯編代碼段：NMI中斷服務程序舉例***************************************************************
NMI_Handler     PROC                            ;
                EXPORT  NMI_Handler     [WEAK]  ;這里導入了中斷服務程序，如果外部文件寫了，那此處的弱函數就不使用了
                B       .                       ;B. 表示在這里跳轉當前程序? 就是跳轉到前面導入的程序
                ENDP                            ;

　　3.1 偽指令

　　　　相當於預處理器指令，編譯器在編譯時會進行替換,並不占用內存空間；

EQU	聲明常數，匯編的常數單位不是bit，而是byte
AREA	表示即將分配一個數據段或代碼段； 需要跟分配內存的SPACE指令一起使用；
EXPORT	聲明為可被外部文件引用，主要提供給鏈接器用於連接庫文件；
IMPORT	引入外部文件聲明
WEAK	弱聲明，如果外部文件有相同的聲明，則編譯外部文件的聲明，不編譯弱聲明
ALIGN	聲明編譯器需要對指令或數據的存放地址進行對齊；默認缺省值為32bit對齊
PRESERVE8	當前文件的堆棧需按照8字節對齊，也就是64bit數據線對齊；
THUMB	表示接下來的指令都是thumb指令集，cm3,cm7采用的是thumb-2指令集，

　　3.2 匯編指令

SPACE	分配一段內存空間，並初始化這些內存空間為0； 需要跟聲明內存屬性的AREA偽指令一起使用；
DCD	Define Constant Double-words;分配4字節的內存空間用來存儲一個32bit的數據；並初始化這些內存空間;
LDR	Load word；加載指令，將32bit數據存入目的寄存器中；
B	Branch，跳轉到目標地址執行，執行指令集為ARM指令集
BX	Branch with Exchange；跳轉到目的地址執行，並且指令集從ARM指令集切換到thumb指令集；
BLX	Branch with Link and Exchange；thumb-2兼容許多thumb指令，但是cortex-m3不支持當前指令；

　　3.3 注釋

零散1	[地址]：地址加了[]，用來表示地址內的數據；
零散2	匯編指令中的常數都是地址，自然數的格式為#常數；

4 main函數的初始化

　　在配置外設之前，單片機首先還需要配置一下工作環境；主要涉及到以下幾個c文件的函數；具體的話也不要求精確分析，輪廓了解一下；

　　4.1 stm32h7xx_hal.c

　　　　主要是IO電壓的配置函數，boot引腳的啟動配置，以及systick的hal庫函數；

/* stm32h7xx_hal.h: line528: Peripheral Control functions  systick使用和配置，電壓配置,boot配置等******************/
void HAL_IncTick(void);                        //SysTick_Handler()中斷服務函數調用的函數，裝載systick為1ms(HAL_TICK_FREQ_1KHZ),
void HAL_Delay(__IO uint32_t Delay);        　　//systick時鍾延時,單位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);                    //掛起systick
void HAL_ResumeTick(void);                     //恢復systick
void HAL_SYSCFG_VREFBUF_VoltageScalingConfig(uint32_t VoltageScaling);　　　　//line575:配置IO口輸出的電壓范圍

　　4.2 stm32h7xx_hal_rcc.c

　　　　主要是rcc相關的晶振使能，以及總線時鍾的配置；以及一些查看配置參數的函數；

/*stm32h7xx_hal_rc.h    line2814*/
void HAL_RCC_DeInit(void);//復位RCC默認配置;使用HSI;關閉HSE,PLL;根據時鍾樹可知外設及總線為HSI-64Mhz
HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_OscConfig(RCC_OscInitTypeDef *RCC_OscInitStruct);//配置晶振是否使能,以及PLL1不為sysclk時PLL1的參數配置;
HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency);//配置CPU(sysclk),AHB,APB..分頻系數;

　　4.3 stm32h7xx_hal_cortex.c

　　　　主要是cortex內核的外設NVIC和MPU的配置函數；以及一些systick的使用函數；之后再分析內核外設的時候一起講把；

　　　　不知道為什么在stm32h7xx_hal.c已經有systick的函數了，這里又有，沒有將他們放一個文件里；先留着疑問；

5 小結

　　1)對於啟動配置而言一直以來只使用過flash啟動；感覺其他的具體也沒試過，等需要的時候看看安富萊的視頻把；

　　    之前由於代碼配置錯誤導致芯片不能flash下載的時候，試過把boot引腳切換到ISP下載模式，然后使用SWD下載；

　　    當然下載之后是跑不起來的，然后再重新把boot引腳改為flash啟動，此時芯片可以重新flash下載；

　　2)對於堆棧，注意一下，我們平常使用的局部數組什么的不要超出棧的內存大小，超出的話程序卡死，然后就跑不動了；

　　    平常說的push和pop應該只針對棧而言；如果堆也能push和pop，針對一整塊動態內存，怎么搞呢？從低地址到高地址搞；

　　3)至於中斷向量表，主要是從偏移量0地址處開始依次分配內存，用來存儲各種中斷服務程序入口地址；

　　  一些內核級別的中斷程序的弱聲明，這些程序除了Reset_Handler中斷的弱函數執行了操作外，其他的都是循壞自己，使用時需要在用戶程序中重新編寫；

　　　后面還有外設中斷服務程序的弱聲明，這些外設中斷服務程序執行都是不斷遞歸循壞自己；使用時需要在用戶程序中重新編寫；

　　4)啟動文件本質來說，除了分配中斷向量表空間之外，只主動執行了一個Reset_Handler一個函數，

　　　Reset_Handler函數跳轉到system_init函數執行，然后跳轉到MDK的__main函數執行；其他的函數都是弱聲明，不斷遞歸調用自己，使用的話需要重新寫函數；