STM系列BOOT设置和程序引导

STM系列BOOT设置和程序引导一、概述1、说明每一款芯片的启动文件都值得去研究，因为它可是你的程序跑的最初一段路，不可以不知道。通过了解启动文件，我们可以体会到处理器的架构、指令集、中断向量安排等内容，是非常值得玩味的。STM32作为一款高端Cortex-M3系列单片机，有必要了解它的启动文件。打好基础，为以后优化程序，写出高质量的代码最准备。本文以一个实际测试代码--START_TEST为例进行阐述。2、整体过程概括STM整个启动过程是指从上电开始，一直到运行到main函数之间的这段过程，步骤为（以使用微库为例）：①上电后硬件设置SP、PC②设置系统时钟③软件设置SP④加载.data、.bss，并初始化栈区⑤跳转到C文件的main函数3、整个启动过程涉及的代码启动过程涉及的文件不仅包含startup_stm32f10x_hd.s，还涉及到了MDK自带的连接库文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（从生成的map文件可以看出来）。二、BOOT设置所谓启动，一般来说就是指我们下好程序后，重启芯片时，SYSCLK的第4个上升沿，BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。MainFlashmemory是STM32内置的Flash，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。Systemmemory从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，这种启动方式用的比较少。系统存储器是芯片内部一块特定的区域，STM32在出厂时，由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader，也就是我们常说的ISP程序，这是一块ROM，出厂后无法修改。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BootLoader中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。但是这个下载方式需要以下步骤：Step1:将BOOT0设置为1，BOOT1设置为0，然后按下复位键，这样才能从系统存储器启动BootLoaderStep2:最后在BootLoader的帮助下，通过串口下载程序到Flash中Step3:程序下载完成后，又有需要将BOOT0设置为GND，手动复位，这样，STM32才可以从Flash中启动可以看到，利用串口下载程序还是比较的麻烦，需要跳帽跳来跳去的，非常的不注重用户体验。EmbeddedMemory内置SRAM，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。假如我只修改了代码中一个小小的地方，然后就需要重新擦除整个Flash，比较的费时，可以考虑从这个模式启动代码（也就是STM32的内存中），用于快速的程序调试，等程序调试完成后，在将程序下载到SRAM中。启动模式选择引脚启动模式备注BOOT0BOOT10X主闪存存储器主闪存存储器被设置为启动区域10系统存储器系统存储器被设置为启动区域11内置SRAM内置SRAM被设置为启动区域三、程序在Flash上的存储结构在真正讲解启动过程之前，先要讲解程序下载到Flash上的结构和程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构。程序在用户Flash上的结构如下图所示。下图是通过阅读hex文件和在MDK下调试综合提炼出来的。MSP初始值编译器生成，主堆栈的初始值异常向量表不多说外部中断向量表不多说代码段存放代码初始化数据段.data未初始化数据段.bss加载数据段和初始化栈的参数加载数据段和初始化栈的参数分别有4个，这里只讲解加载数据段的参数，至于初始化栈的参数类似。0x0800033cFlash上的数据段（初始化数据段和未初始化数据段）起始地址0x20000000加载到SRAM上的目的地址0x0000000c数据段的总大小0x080002f4调用函数_scatterload_copy需要说明的是初始化栈的函数--0x08000304与加载数据段的函数不一样，为_scatterload_zeroinit，它的目的就是将栈空间清零。三、数据在SRAM上的结构程序运行时（执行到main函数）时的SRAM数据结构四、详细过程分析有了以上的基础，现在详细分析启动过程。1、上电后硬件设置SP、PC刚上电复位后，硬件会自动根据向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定义如下：调试现象如下：看看我们的向量表内容（通过J-Flash打开hex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，完成复位，结果为：SP=0x02000810PC=0x080001452、设置系统时钟上一步中令PC=0x08000145的地址没有对齐，硬件自动对齐到0x08000144，执行SystemInit函数初始化系统时钟。3、软件设置SPLDRR0,=__mainBXR0执行上两条之类，跳转到__main程序段运行，注意不是main函数，___main的地址是0x08000130。可以看到指令LDR.Wsp,[pc,#12]，结果SP=0x20000810。4、加载.data、.bss，并初始化栈区BL.W__scatterload_rt2进入__scatterload_rt2代码段。__scatterload_rt2:0x080001684C06LDRr4,[pc,#24];@0x080001840x0800016A4D07LDRr5,[pc,#28];@0x080001880x0800016CE006B0x0800017C0x0800016E68E0LDRr0,[r4,#0x0C]0x08000170F0400301ORRr3,r0,#0x010x08000174E8940007LDMr4,{r0-r2}0x080001784798BLXr30x0800017A3410ADDSr4,r4,#0x100x0800017C42ACCMPr4,r50x0800017ED3F6BCC0x0800016E0x08000180F7FFFFDABL.W_main_init(0x08000138)这段代码是个循环（BCC0x0800016e），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（_scatterload_copy）”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（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳转到该函数处运行。相应的代码如下：0x0800016E68E0LDRr0,[r4,#0x0C]0x08000170F0400301ORRr3,r0,#0x010x080001740x080001784798BLXr3当然执行这两个函数的时候，还需要传入参数。至于参数，我们在“加载数据段和初始化栈的参数”环节已经阐述过了。当这两个函数都执行完后，结果就是“数据在SRAM上的结构”所展示的图。最后，也把事实加载和初始化的两个函数代码奉上如下：__scatterload_copy:0x080002F4E002B0x080002FC0x080002F6C808LDMr0!,{r3}0x080002F81F12SUBSr2,r2,#40x080002FAC108STMr1!,{r3}0x080002FC2A00CMPr2,#0x000x080002FED1FABNE0x080002F60x080003004770BXlr__scatterload_null:0x080003024770BXlr__scatterload_zeroinit:0x080003042000MOVSr0,#0x000x08000306E001B0x0800030C0x08000308C101STMr1!,{r0}0x0800030A1F12SUBSr2,r2,#40x0800030C2A00CMPr2,#0x000x0800030ED1FBBNE0x080003080x080003104770BXlr5、跳转到C文件的main函数_main_init:0x080001384800LDRr0,[pc,#0];@0x0800013C0x0800013A4700BXr0五、异常向量与中断向量表ViewCode这段代码就是定义异常向量表，在之前有一个“J-Flash打开hex文件”的图片跟这个表格是一一对应的。编译器根据我们定义的函数Reset_Handler、NMI_Handler等，在连接程序阶段将这个向量表填入这些函数的地址。startup_stm32f10x_hd.s内容：NMI_HandlerPROCEXPORTNMI_Handler[WEAK]B.ENDPstm32f10x_it.c中内容：voidNMI_Handler(void){}在启动汇编文件中已经定义了函数NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允许我们再重新定义一个NMI_Handler函数，程序在编译的时候会将汇编文件中的弱函数“覆盖掉”--两个函数的代码在连接后都存在，只是在中断向量表中的地址填入的是我们重新定义函数的地址。六、使用微库与不使用微库的区别使用微库就意味着我们不想使用MDK提供的库函数，而想用自己定义的库函数，比如说printf函数。那么这一点是怎样实现的呢？我们以printf函数为例进行说明。1、不使用微库而使用系统库在连接程序时，肯定会把系统中包含printf函数的库拿来调用参与连接，即代码段有系统库的参与。在启动过程中，不使用微库而使用系统库在初始化栈的时候，还需要初始化堆（猜测系统库需要用到堆），而使用微库则是不需要的。IF:DEF:__MICROLIBEXPORT__initial_spEXPORT__heap_baseEXPORT__heap_limitELSEIMPORT__use_two_region_memoryEXPORT__user_initial_stackheap__user_initial_stackheapLDRR0,=Heap_MemLDRR1,=(Stack_Mem+Stack_Size)LDRR2,=(Heap_Mem+Heap_Size)LDRR3,=Stack_MemBXLRALIGNENDIF另外，在执行__main函数的过程中，不仅需要完成“使用微库”情况下的所有工作，额外的工作还需要进行库的初始化，才能使用系统库（这一部分我还没有深入探讨）。附上__main函数的内容：ViewCode2、使用微库而不使用系统库在程序连接时，不会把包含printf函数的库连接到终极目标文件中，而使用我们定义的库。启动时需要完成的工作就是之前论述的步骤1、2、3、4、5，相比使用系统库，启动过程步骤更少。