STM32启动流程详解

STM32启动流程详解

本文档详细介绍STM32微控制器从上电到main函数执行的完整启动流程。

1. 上电与复位过程

当STM32芯片上电或复位时，硬件会执行以下步骤：

1. 上电复位(POR)/低电平复位(PDR): 芯片接通电源或NRST引脚置低时触发
2. 初始PC值设置: 程序计数器(PC)被设置为0x00000000
3. 首地址读取: CPU从地址0x00000000读取栈顶指针(MSP)的值
4. 向量表读取: CPU从地址0x00000004读取复位向量(Reset_Handler的地址)，并跳转执行

2. 启动文件执行流程

启动文件(startup_stm32f103xb.s)是STM32启动过程的关键部分，主要执行以下操作：

Reset_Handler:ldr   r0, =_estack      ; 加载栈顶指针到r0寄存器mov   sp, r0            ; 设置栈指针; 初始化数据段ldr r0, =_sdata         ; 加载数据段目标起始地址ldr r1, =_edata         ; 加载数据段目标结束地址ldr r2, =_sidata        ; 加载数据段源起始地址(Flash中)movs r3, #0b LoopCopyDataInit; ... 数据段复制循环 ...; 初始化BSS段(清零)ldr r2, =_sbss          ; 加载BSS段起始地址ldr r4, =_ebss          ; 加载BSS段结束地址movs r3, #0b LoopFillZerobss; ... BSS段清零循环 ...bl SystemInit           ; 调用SystemInit函数初始化系统时钟bl __libc_init_array    ; 调用C库初始化函数bl main                 ; 调用main函数bx lr                   ; 返回(实际上main函数不会返回)

3. 向量表

向量表定义在启动文件中，存储在Flash起始位置，包含：

1. 栈顶指针(MSP): 向量表第一项是主栈指针初始值
2. 复位向量: Reset_Handler函数地址
3. 异常向量: 各种异常处理函数的地址(NMI、HardFault等)
4. 中断向量: 外设中断处理函数的地址

__Vectors:.word _estack           ; 栈顶指针.word Reset_Handler     ; 复位处理函数.word NMI_Handler       ; NMI处理函数.word HardFault_Handler ; 硬件错误处理函数; ... 其他异常和中断向量 ...

4. SystemInit函数详解

SystemInit函数定义在system_stm32f1xx.c文件中，主要负责系统时钟配置：

void SystemInit(void)
{/* 重置RCC时钟配置为默认复位状态 *//* 设置HSION位 */RCC->CR |= 0x00000001U;/* 复位SW、HPRE、PPRE1、PPRE2、ADCPRE和MCO位 */RCC->CFGR &= 0xF8FF0000U;/* 复位HSEON, CSSON和PLLON位 */RCC->CR &= 0xFEF6FFFFU;/* 复位HSEBYP位 */RCC->CR &= 0xFFFBFFFFU;/* 复位PLLSRC, PLLXTPRE, PLLMUL和USBPRE位 */RCC->CFGR &= 0xFF80FFFFU;/* 禁用所有中断 */RCC->CIR = 0x00000000U;#ifdef VECT_TAB_SRAMSCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* 若向量表在SRAM中 */
#elseSCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* 向量表在Flash中 */
#endif
}

主要功能：

1. 配置系统时钟回到默认状态(通常使用内部RC振荡器HSI，8MHz)
2. 设置向量表偏移地址(VTOR寄存器)

5. C库初始化

__libc_init_array()函数负责调用所有构造函数并初始化C/C++运行环境：

1. 调用.preinit_array段中的所有函数
2. 调用.init_array段中的所有函数
3. 初始化全局变量和静态变量
   
   我找了一下，在这里。反汇编代码如下。
   
   这是__libc_init_array函数的ARM汇编代码：
   这个函数负责在main函数执行前初始化C/C++运行时环境，具体执行两个主要任务：

第一部分（处理.preinit_array段）

0-14:   保存寄存器并加载.preinit_array段的起始和结束地址
18-1c:  初始化循环计数器，计算数组元素数量(将字节差除以4)
24-38:  循环遍历.preinit_array中的每个函数指针并调用:- 加载函数指针到r3- 更新计数器- 通过bx指令调用函数- 比较是否已处理完所有函数

中间调用_init函数

3c:     bl _init  // 调用标准的初始化函数

第二部分（处理.init_array段）

40-54:  加载.init_array段的起始和结束地址，计算元素数量
58-74:  循环遍历.init_array中的每个函数指针并调用，过程与第一部分类似

结束处理

78-7c:  恢复保存的寄存器并返回

这个函数的主要作用是：

1. 调用所有注册在.preinit_array段的预初始化函数
2. 调用系统的_init函数
3. 调用所有注册在.init_array段的初始化函数（包括全局C++对象的构造函数）

这样确保了在main函数开始执行前，所有必要的全局对象和C/C++运行时环境都已正确初始化。

6. main函数执行

在完成上述所有初始化步骤后，启动代码通过bl main指令跳转到用户定义的main函数，开始执行应用程序代码。

7. 数据段和BSS段

• 数据段(.data): 已初始化的全局变量和静态变量，从Flash复制到RAM
• BSS段(.bss): 未初始化的全局变量和静态变量，在RAM中清零

8. 启动流程总结

上电/复位 → 加载MSP → 跳转到Reset_Handler → 初始化栈指针 → 
复制.data段 → 清零.bss段 → SystemInit() → __libc_init_array() → main()

9. STM32启动流程的优化与自定义

在实际项目中，可以通过以下方式优化或自定义启动流程：

1. 修改启动文件以支持特定的内存布局
2. 自定义SystemInit函数实现特定的时钟配置
3. 在main函数之前添加自定义的初始化代码

通过理解这一完整的启动过程，开发者可以更好地控制STM32应用程序的初始化行为，优化系统性能，并解决启动相关的问题。