一文詳解STM32單片機的啟動文件
一、概述
1、說明
每一款芯片的啟動文件都值得去研究，因為它可是你的程序跑的最初一段路，不可以不知道。通過了解啟動文件，我們可以體會到處理器的架構、指令集、中斷向量安排等內容，是非常值得玩味的。
STM32作為一款高端Cortex-M3系列單片機，有必要了解它的啟動文件。打好基礎，為以后優化程序，寫出高質量的代碼最準備。
2、整體過程概括
STM整個啟動過程是指從上電開始，一直到運行到main函數之間的這段過程，步驟為（以使用微庫為例）：
①上電后硬件設置SP、PC
②設置系統時鐘
③軟件設置SP
④加載.data、.bss，并初始化棧區
⑤跳轉到C文件的main函數
3、整個啟動過程涉及的代碼
啟動過程涉及的文件不僅包含startup_stm32f10x_hd.s，還涉及到了MDK自帶的連接庫文件entry.o、entry2.o、entry5.o、entry7.o等（從生成的map文件可以看出來）。
二、程序在Flash上的存儲結構
在真正講解啟動過程之前，先要講解程序下載到Flash上的結構和程序運行時（執行到main函數）時的SRAM數據結構。程序在用戶Flash上的結構如下圖所示。下圖是通過閱讀hex文件和在MDK下調試綜合提煉出來的。
MSP初始值編譯器生成，主堆棧的初始值
異常向量表不多說
外部中斷向量表不多說
代碼段存放代碼
初始化數據段.data
未初始化數據段.bss
加載數據段和初始化棧的參數
加載數據段和初始化棧的參數分別有4個，這里只講解加載數據段的參數，至于初始化棧的參數類似。
0x0800 033cFlash上的數據段（初始化數據段和未初始化數據段）起始地址
0x2000 0000加載到SRAM上的目的地址
0x0000 000c數據段的總大小
0x0800 02f4調用函數_scatterload_copy
需要說明的是初始化棧的函數--0x0800 0304與加載數據段的函數不一樣，為_scatterload_zeroinit，它的目的就是將棧空間清零。
三、數據在SRAM上的結構
程序運行時（執行到main函數）時的SRAM數據結構
四、詳細過程分析
有了以上的基礎，現在詳細分析啟動過程。
1、上電后硬件設置SP、PC
剛上電復位后，硬件會自動根據向量表偏移地址找到向量表，向量表偏移地址的定義如下：
調試現象如下：
看看我們的向量表內容（通過J-Flash打開hex文件）
硬件這時自動從0x0800 0000位置處讀取數據賦給棧指針SP，然后自動從0x0800 0004位置處讀取數據賦給PC，完成復位，結果為：
SP = 0x0200 0810
PC = 0x0800 0145
2、設置系統時鐘
上一步中令PC=0x0800 0145的地址沒有對齊，硬件自動對齊到0x0800 0144，執行SystemInit函數初始化系統時鐘。
3、軟件設置SP
LDR R0,=__main BX R0
執行上兩條之類，跳轉到__main程序段運行，注意不是main函數，___main的地址是0x0800 0130。
可以看到指令LDR.W sp,[pc,#12]，結果SP=0x2000 0810。
4、加載.data、.bss，并初始化棧區
BL.W __scatterload_rt2
進入__scatterload_rt2代碼段。
__scatterload_rt2:0x08000168 4C06 LDR r4,[pc,#24] ;
@0x080001840x0800016A 4D07 LDR r5,[pc,#28] ;
@0x080001880x0800016C E006 B 0x0800017C0x0800016E 68E0 LDR
r0,[r4,#0x0C]0x08000170 F0400301 ORR
r3,r0,#0x010x08000174 E8940007 LDM r4,{r0-r2}0x08000178 4798
BLX r30x0800017A 3410 ADDS r4,r4,#0x100x0800017C 42AC
CMP r4,r50x0800017E D3F6 BCC 0x0800016E0x08000180 F7FFFFDA
BL.W _main_init (0x08000138)
這段代碼是個循環（BCC 0x0800016e），實際運行時候循環了兩次。第一次運行的時候，讀取“加載數據段的函數（_scatterload_copy）”的地址并跳轉到該函數處運行（注意加載已初始化數據段和未初始化數據段用的是同一個函數）；第二次運行的時候，讀取“初始化棧的函數（_scatterload_zeroinit）”的地址并跳轉到該函數處運行。相應的代碼如下：
0x0800016E 68E0 LDR r0,[r4,#0x0C] 0x08000170 F0400301 ORR r3,r0,#0x01 0x08000174 0x08000178 4798 BLX r3 當然執行這兩個函數的時候，還需要傳入參數。 至于參數，我們在“加載數據段和初始化棧的參數”環節已經闡述過了。 當這兩個函數都執行完后，結果就是“數據在SRAM上的結構”所展示的圖。 最后，也把事實加載和初始化的兩個函數代碼奉上如下： 5、跳轉到C文件的main函數
_main_init:0x08000138 4800 LDR r0,[pc,#0] ; @0x0800013C0x0800013A 4700 BX r0
五、異常向量與中斷向量表
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY
EXPORT __Vectors
EXPORT __Vectors_End
EXPORT __Vectors_Size
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
; External Interrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7
DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1 & ADC2
DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX
DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0
DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1
DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture Compare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10
DCD RTCAlarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspend
DCD TIM8_BRK_IRQHandler ; TIM8 Break
DCD TIM8_UP_IRQHandler ; TIM8 Update
DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler ; TIM8 Trigger and Commutation
DCD TIM8_CC_IRQHandler ; TIM8 Capture Compare
DCD ADC3_IRQHandler ; ADC3
DCD FSMC_IRQHandler ; FSMC
DCD SDIO_IRQHandler ; SDIO
DCD TIM5_IRQHandler ; TIM5
DCD SPI3_IRQHandler ; SPI3
DCD UART4_IRQHandler ; UART4
DCD UART5_IRQHandler ; UART5
DCD TIM6_IRQHandler ; TIM6
DCD TIM7_IRQHandler ; TIM7
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End
這段代碼就是定義異常向量表，在之前有一個“J-Flash打開hex文件”的圖片跟這個表格是一一對應的。編譯器根據我們定義的函數 Reset_Handler、NMI_Handler等，在連接程序階段將這個向量表填入這些函數的地址。
startup_stm32f10x_hd.s內容：
NMI_Handler PROC
EXPORT NMI_Handler [WEAK]
B .
ENDP
stm32f10x_it.c中內容：void NMI_Handler(void)
{
}
在啟動匯編文件中已經定義了函數NMI_Handler，但是使用了“弱”，它允許我們再重新定義一個NMI_Handler函數，程序在編譯的時候會將匯編文件中的弱函數“覆蓋掉”--兩個函數的代碼在連接后都存在，只是在中斷向量表中的地址填入的是我們重新定義函數的地址。
六、使用微庫與不使用微庫的區別
使用微庫就意味著我們不想使用MDK提供的庫函數，而想用自己定義的庫函數，比如說printf函數。那么這一點是怎樣實現的呢？我們以printf函數為例進行說明。
1、不使用微庫而使用系統庫
在連接程序時，肯定會把系統中包含printf函數的庫拿來調用參與連接，即代碼段有系統庫的參與。
在啟動過程中，不使用微庫而使用系統庫在初始化棧的時候，還需要初始化堆（猜測系統庫需要用到堆），而使用微庫則是不需要的。
IF __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
另外，在執行__main函數的過程中，不僅需要完成“使用微庫”情況下的所有工作，額外的工作還需要進行庫的初始化，才能使用系統庫（這一部分我還沒有深入探討）。附上__main函數的內容：
__main:0x08000130 F000F802 BL.W __scatterload_rt2_thumb_only (0x08000138) __rt_entry_sh (0x080001B0) __scatterload_rt2_thumb_only:0x08000138 A00A __scatterload_null:0x08000146 45DA CMP __scatterload_copy:0x0800016C 3A10 SUBS __scatterload_zeroinit:0x08000188 2300 0001A2 __rt_lib_init:0x080001A4 B51F PUSH __rt_lib_init_user_alloc_1:0x080001AA BD1F __rt_lib_shutdown:0x080001AC B510 PUSH __rt_lib_shutdown_user_alloc_1:0x080001AE BD10 __rt_entry_sh:0x080001B0 F000F82F BL.W __rt_entry_postsh_1:0x080001B6 F7FFFFF5 BL.W __rt_entry_postli_1:0x080001BA F000F919 BL.W
2、使用微庫而不使用系統庫
在程序連接時，不會把包含printf函數的庫連接到終極目標文件中，而使用我們定義的庫。啟動時需要完成的工作就是之前論述的步驟1、2、3、4、5，相比使用系統庫，啟動過程步驟更少。
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原文標題：【編程高手都必備】STM32F1x系列精髓啟動過程與啟動文件分析
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