解析 STM32 的启动过程

(原文件下载pdf下载在http://www.openedv.com/posts/list/5563.htm的14楼)

当前的嵌入式应用程序开发过程里，并且
C 语言成为了绝大部分场合的最佳选择。如此

一来 main
函数似乎成为了理所当然的起点——因为 C
程序往往从 main
函数开始执行。但

一个经常会被忽略的问题是：微控制器（单片机）上电后，是如何寻找到并执行
main 函数

的呢？ 很显然微控制器无法从硬件上定位
main 函数的入口地址，因为使用
C 语言作为开发

语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来
main 函数的入口地址在

微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。 相信读者都可以回答这个问题， 答案也许大
同小异，但肯定都有个关键词，叫“启动文件”，用英文单词来描述是“
Bootloader”。

无论性能高下，结构简繁，价格贵贱，每一种微控制器（处理器）都必须有启动文件，
启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行
main 函数”中间这段时间

（称为启动过程）所必须进行的工作。最为常见的
51， AVR
或 MSP430 等微控制器当然也有

对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预
启动过程，只需要从 main
函数开始进行应用程序的设计即可。

话题转到 STM32
微控制器，无论是 keil uvision4
还是 IAR EWARM
开发环境， ST 公司都

提供了现成的直接可用的启动文件，程序开发人员可以直接引用启动文件后直接进行
C 应用

程序的开发。这样能大大减小开发人员从其它微控制器平台跳转至
STM32 平台，也降低了

适应 STM32
微控制器的难度（对于上一代 ARM
的当家花旦 ARM9，启动文件往往是第一道

难啃却又无法逾越的坎）。
相对于 ARM
上一代的主流 ARM7/ARM9
内核架构，新一代 Cortex 内核架构的启动方式

有了比较大的变化。 ARM7/ARM9
内核的控制器在复位后， CPU
会从存储空间的绝对地址

0x000000 取出第一条指令执行复位中断服务程序的方式启动，即固定了复位后的起始地址

为 0x000000（
PC = 0x000000）同时中断向量表的位置并不是固定的。而
Cortex-M3 内核则正

好相反，有 3
种情况:

1、 通过
boot 引脚设置可以将中断向量表定位于
SRAM 区，即起始地址为
0x2000000，同时

复位后 PC
指针位于 0x2000000
处；

2、 通过
boot 引脚设置可以将中断向量表定位于
FLASH 区，即起始地址为
0x8000000，同时

复位后 PC
指针位于 0x8000000
处；

3、 通过
boot 引脚设置可以将中断向量表定位于内置
Bootloader 区，本文不对这种情况做

论述；
而 Cortex-M3
内核规定，起始地址必须存放堆顶指针，而第二个地址则必须存放复位中断入

口向量地址，这样在 Cortex-M3
内核复位后，会自动从起始地址的下一个 32
位空间取出复

位中断入口向量，跳转执行复位中断服务程序。对比
ARM7/ARM9 内核， Cortex-M3
内核则

是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。
有了上述准备只是后，下面以 STM32的
2.02固件库提供的启动文件“
stm32f10x_vector.s”

为模板，对 STM32
的启动过程做一个简要而全面的解析。

程序清单一：
；文件“ stm32f10x_vector.s”，其中注释为行号

DATA_IN_ExtSRAM EQU 0
； 1

Stack_Size EQU 0x00000400
； 2

AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3
； 3

Stack_Mem SPACE Stack_Size
； 4

__initial_sp ；
5

Heap_Size EQU 0x00000400
； 6

AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN = 3
； 7

__heap_base ；
8

Heap_Mem SPACE Heap_Size
； 9

__heap_limit ；
10

THUMB ；
11

PRESERVE8 ；
12

IMPORT NMIException
； 13

IMPORT HardFaultException
； 14

IMPORT MemManageException
； 15

IMPORT BusFaultException
； 16

IMPORT UsageFaultException
； 17

IMPORT SVCHandler
； 18

IMPORT DebugMonitor
； 19

IMPORT PendSVC ；
20

IMPORT SysTickHandler
； 21

IMPORT WWDG_IRQHandler
； 22

IMPORT PVD_IRQHandler
； 23

IMPORT TAMPER_IRQHandler
； 24

IMPORT RTC_IRQHandler
； 25

IMPORT FLASH_IRQHandler
； 26

IMPORT RCC_IRQHandler
； 27

IMPORT EXTI0_IRQHandler
； 28

IMPORT EXTI1_IRQHandler
； 29

IMPORT EXTI2_IRQHandler
； 30

IMPORT EXTI3_IRQHandler
； 31

IMPORT EXTI4_IRQHandler
； 32

IMPORT DMA1_Channel1_IRQHandler
； 33

IMPORT DMA1_Channel2_IRQHandler
； 34

IMPORT DMA1_Channel3_IRQHandler
； 35

IMPORT DMA1_Channel4_IRQHandler
； 36

IMPORT DMA1_Channel5_IRQHandler
； 37

IMPORT DMA1_Channel6_IRQHandler
； 38

IMPORT DMA1_Channel7_IRQHandler
； 39

IMPORT ADC1_2_IRQHandler
； 40

IMPORT USB_HP_CAN_TX_IRQHandler
； 41

IMPORT USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler
； 42

IMPORT CAN_RX1_IRQHandler
； 43

IMPORT CAN_SCE_IRQHandler
； 44

IMPORT EXTI9_5_IRQHandler
； 45

IMPORT TIM1_BRK_IRQHandler
； 46

IMPORT TIM1_UP_IRQHandler
； 47

IMPORT TIM1_TRG_COM_IRQHandler
； 48

IMPORT TIM1_CC_IRQHandler
； 49

IMPORT TIM2_IRQHandler
； 50

IMPORT TIM3_IRQHandler
； 51

IMPORT TIM4_IRQHandler
； 52

IMPORT I2C1_EV_IRQHandler
； 53

IMPORT I2C1_ER_IRQHandler
； 54

IMPORT I2C2_EV_IRQHandler
； 55

IMPORT I2C2_ER_IRQHandler
； 56

IMPORT SPI1_IRQHandler
； 57

IMPORT SPI2_IRQHandler
； 58

IMPORT USART1_IRQHandler
； 59

IMPORT USART2_IRQHandler
； 60

IMPORT USART3_IRQHandler
； 61

IMPORT EXTI15_10_IRQHandler
； 62

IMPORT RTCAlarm_IRQHandler
； 63

IMPORT USBWakeUp_IRQHandler
； 64

IMPORT TIM8_BRK_IRQHandler
； 65

IMPORT TIM8_UP_IRQHandler
； 66

IMPORT TIM8_TRG_COM_IRQHandler
； 67

IMPORT TIM8_CC_IRQHandler
； 68

IMPORT ADC3_IRQHandler
； 69

IMPORT FSMC_IRQHandler
； 70

IMPORT SDIO_IRQHandler
； 71

IMPORT TIM5_IRQHandler
； 72

IMPORT SPI3_IRQHandler
； 73

IMPORT UART4_IRQHandler
； 74

IMPORT UART5_IRQHandler
； 75

IMPORT TIM6_IRQHandler
； 76

IMPORT TIM7_IRQHandler
； 77

IMPORT DMA2_Channel1_IRQHandler
； 78

IMPORT DMA2_Channel2_IRQHandler
； 79

IMPORT DMA2_Channel3_IRQHandler
； 80

IMPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler
； 81

AREA RESET, DATA, READONLY
； 82

EXPORT __Vectors
； 83

__Vectors ；
84

DCD __initial_sp
； 85

DCD Reset_Handler
； 86

DCD NMIException
； 87

DCD HardFaultException
； 88

DCD MemManageException
； 89

DCD BusFaultException
； 90

DCD UsageFaultException
； 91

DCD 0 ；
92

DCD 0 ；
93

DCD 0 ；
94

DCD 0 ；
95

DCD SVCHandler ；
96

DCD DebugMonitor
； 97

DCD 0 ；
98

DCD PendSVC ；
99

DCD SysTickHandler
； 100

DCD WWDG_IRQHandler
； 101

DCD PVD_IRQHandler
； 102

DCD TAMPER_IRQHandler
； 103

DCD RTC_IRQHandler
； 104

DCD FLASH_IRQHandler
； 105

DCD RCC_IRQHandler
； 106

DCD EXTI0_IRQHandler
； 107

DCD EXTI1_IRQHandler
； 108

DCD EXTI2_IRQHandler
； 109

DCD EXTI3_IRQHandler
； 110

DCD EXTI4_IRQHandler
； 111

DCD DMA1_Channel1_IRQHandler
； 112

DCD DMA1_Channel2_IRQHandler
； 113

DCD DMA1_Channel3_IRQHandler
； 114

DCD DMA1_Channel4_IRQHandler
； 115

DCD DMA1_Channel5_IRQHandler
； 116

DCD DMA1_Channel6_IRQHandler
； 117

DCD DMA1_Channel7_IRQHandler
； 118

DCD ADC1_2_IRQHandler
； 119

DCD USB_HP_CAN_TX_IRQHandler
； 120

DCD USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler
； 121

DCD CAN_RX1_IRQHandler
； 122

DCD CAN_SCE_IRQHandler
； 123

DCD EXTI9_5_IRQHandler
； 124

DCD TIM1_BRK_IRQHandler
； 125

DCD TIM1_UP_IRQHandler
； 126

DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler
； 127

DCD TIM1_CC_IRQHandler
； 128

DCD TIM2_IRQHandler
； 129

DCD TIM3_IRQHandler
； 130

DCD TIM4_IRQHandler
； 131

DCD I2C1_EV_IRQHandler
； 132

DCD I2C1_ER_IRQHandler
； 133

DCD I2C2_EV_IRQHandler
； 134

DCD I2C2_ER_IRQHandler
； 135

DCD SPI1_IRQHandler
； 136

DCD SPI2_IRQHandler
； 137

DCD USART1_IRQHandler
； 138

DCD USART2_IRQHandler
； 139

DCD USART3_IRQHandler
； 140

DCD EXTI15_10_IRQHandler
； 141

DCD RTCAlarm_IRQHandler
； 142

DCD USBWakeUp_IRQHandler
； 143

DCD TIM8_BRK_IRQHandler
； 144

DCD TIM8_UP_IRQHandler
； 145

DCD TIM8_TRG_COM_IRQHandler
； 146

DCD TIM8_CC_IRQHandler
； 147

DCD ADC3_IRQHandler
； 148

DCD FSMC_IRQHandler
； 149

DCD SDIO_IRQHandler
； 150

DCD TIM5_IRQHandler
； 151

DCD SPI3_IRQHandler
； 152

DCD UART4_IRQHandler
； 153

DCD UART5_IRQHandler
； 154

DCD TIM6_IRQHandler
； 155

DCD TIM7_IRQHandler
； 156

DCD DMA2_Channel1_IRQHandler
； 157

DCD DMA2_Channel2_IRQHandler
； 158

DCD DMA2_Channel3_IRQHandler
； 159

DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler
； 160

AREA |.text|, CODE, READONLY
； 161

Reset_Handler PROC
； 162

EXPORT Reset_Handler
； 163

IF DATA_IN_ExtSRAM == 1
； 164

LDR R0,= 0x00000114
； 165

LDR R1,= 0x40021014
； 166

STR R0,[R1] ；
167

LDR R0,= 0x000001E0
； 168

LDR R1,= 0x40021018
； 169

STR R0,[R1] ；
170

LDR R0,= 0x44BB44BB
； 171

LDR R1,= 0x40011400
； 172

STR R0,[R1] ；
173

LDR R0,= 0xBBBBBBBB
； 174

LDR R1,= 0x40011404
； 175

STR R0,[R1] ；
176

LDR R0,= 0xB44444BB
； 177

LDR R1,= 0x40011800
； 178

STR R0,[R1] ；
179

LDR R0,= 0xBBBBBBBB
； 180

LDR R1,= 0x40011804
； 181

STR R0,[R1] ；
182

LDR R0,= 0x44BBBBBB
； 183

LDR R1,= 0x40011C00
； 184

STR R0,[R1] ；
185

LDR R0,= 0xBBBB4444
； 186

LDR R1,= 0x40011C04
； 187

STR R0,[R1] ；
188

LDR R0,= 0x44BBBBBB
； 189

LDR R1,= 0x40012000
； 190

STR R0,[R1] ；
191

LDR R0,= 0x44444B44
； 192

LDR R1,= 0x40012004
； 193

STR R0,[R1] ；
194

LDR R0,= 0x00001011
； 195

LDR R1,= 0xA0000010
； 196

STR R0,[R1] ；
197

LDR R0,= 0x00000200
； 198

LDR R1,= 0xA0000014
； 199

STR R0,[R1] ；
200

ENDIF ；
201

IMPORT __main ；
202

LDR R0, =__main ；
203

BX R0 ；
204

ENDP ；
205

ALIGN ；
206

IF :DEF:__MICROLIB
； 207

EXPORT __initial_sp
； 208

EXPORT __heap_base
； 209

EXPORT __heap_limit
； 210

ELSE ；
211

IMPORT __use_two_region_memory
； 212

EXPORT __user_initial_stackheap
； 213

__user_initial_stackheap
； 214

LDR R0, = Heap_Mem
； 215

LDR R1, = (Stack_Mem + Stack_Size)
； 216

LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
； 217

LDR R3, = Stack_Mem
； 218

BX LR ；
219

ALIGN ；
220

ENDIF ；
221

END ；
222

ENDIF ；
223

END ；
224

如程序清单一， STM32
的启动代码一共 224
行，使用了汇编语言编写，这其中的主要

原因下文将会给出交代。现在从第一行开始分析：

 第
1 行：定义是否使用外部
SRAM，为 1
则使用，为 0 则表示不使用。此语行若用
C 语

言表达则等价于：

#define DATA_IN_ExtSRAM 0

 第
2 行：定义栈空间大小为
0x00000400 个字节，即
1Kbyte。此语行亦等价于：

#define Stack_Size 0x00000400

 第
3 行：伪指令 AREA，表示

 第
4 行：开辟一段大小为
Stack_Size 的内存空间作为栈。

 第
5 行：标号__initial_sp，表示栈空间顶地址。

 第
6 行：定义堆空间大小为
0x00000400 个字节，也为
1Kbyte。

 第
7 行：伪指令 AREA，表示

 第
8 行：标号__heap_base，表示堆空间起始地址。

 第
9 行：开辟一段大小为
Heap_Size 的内存空间作为堆。

 第
10 行：标号__heap_limit，表示堆空间结束地址。

 第
11 行：告诉编译器使用
THUMB 指令集。

 第
12 行：告诉编译器以
8 字节对齐。

 第
13—81
行： IMPORT
指令，指示后续符号是在外部文件定义的（类似 C
语言中的全

局变量声明），而下文可能会使用到这些符号。

 第
82 行： 定义只读数据段，实际上是在
CODE 区（假设
STM32 从 FLASH
启动，则此中

断向量表起始地址即为 0x8000000）

 第
83 行：将标号__Vectors
声明为全局标号，这样外部文件就可以使用这个标号。

 第
84 行：标号__Vectors，表示中断向量表入口地址。

 第
85—160
行：建立中断向量表。

 第
161 行：

 第
162 行：复位中断服务程序，
PROC…ENDP 结构表示程序的开始和结束。

 第
163 行：声明复位中断向量
Reset_Handler 为全局属性，这样外部文件就可以调用此

复位中断服务。

 第
164 行： IF…ENDIF
为预编译结构，判断是否使用外部 SRAM，在第
1 行中已定义为“不

使用”。

 第
165—201
行：此部分代码的作用是设置 FSMC
总线以支持 SRAM，因不使用外部
SRAM

因此此部分代码不会被编译。

 第
202 行：声明__main
标号。

 第
203—204
行：跳转__main
地址执行。

 第
207 行： IF…ELSE…ENDIF
结构，判断是否使用 DEF:__MICROLIB（此处为不使用）。

 第
208—210
行：若使用 DEF:__MICROLIB，则将__initial_sp，
__heap_base，
__heap_limit

亦即栈顶地址，堆始末地址赋予全局属性，使外部程序可以使用。

 第
212 行：定义全局标号__use_two_region_memory。

 第
213 行：声明全局标号__user_initial_stackheap，这样外程序也可调用此标号。

 第
214 行：标号__user_initial_stackheap，表示用户堆栈初始化程序入口。

 第
215—218
行：分别保存栈顶指针和栈大小，堆始地址和堆大小至 R0，
R1， R2，
R3

寄存器。

 第
224 行：程序完毕。

以上便是 STM32
的启动代码的完整解析，接下来对几个小地方做解释：

1、
AREA 指令：伪指令，用于定义代码段或数据段，后跟属性标号。其中比较重要的一个

标号为“ READONLY”或者“
READWRITE”，其中“
READONLY”表示该段为只读属性，联

系到 STM32
的内部存储介质，可知具有只读属性的段保存于 FLASH
区，即 0x8000000

地址后。而“ READONLY”表示该段为“可读写”属性，可知“可读写”段保存于
SRAM

区，即 0x2000000
地址后。由此可以从第 3、
7 行代码知道，堆栈段位于
SRAM 空间。

从第 82行可知，中断向量表放置与
FLASH区，而这也是整片启动代码中最先被放进
FLASH

区的数据。因此可以得到一条重要的信息：
0x8000000 地址存放的是栈顶地址__initial_sp，

0x8000004 地址存放的是复位中断向量
Reset_Handler（
STM32 使用 32
位总线，因此存

储空间为 4
字节对齐）。

2、
DCD 指令：作用是开辟一段空间，其意义等价于
C 语言中的地址符“
&”。因此从第 84

行开始建立的中断向量表则类似于使用
C 语言定义了一个指针数组，其每一个成员都是

一个函数指针，分别指向各个中断服务函数。

3、 标号：前文多处使用了“标号”一词。标号主要用于表示一片内存空间的某个位置，等

价于 C
语言中的“地址”概念。地址仅仅表示存储空间的一个位置，从 C
语言的角度来

看，变量的地址，数组的地址或是函数的入口地址在本质上并无区别。

4、 第
202 行中的__main
标号并不表示 C 程序中的
main 函数入口地址，因此第
204 行也并

不是跳转至 main
函数开始执行 C 程序。
__main 标号表示
C/C++标准实时库函数里的一

个初始化子程序__main
的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈（对于程序清

单一来说则是跳转__user_initial_stackheap
标号进行初始化堆栈的），并初始化映像文件，

最后跳转 C
程序中的 main
函数。这就解释了为何所有的 C 程序必须有一个
main 函数作

为程序的起点——因为这是由 C/C++标准实时库所规定的——并且不能更改，因为
C/C++

标准实时库并不对外界开发源代码。 因此，实际上在用户可见的前提下，程序在第
204

行后就跳转至.c
文件中的 main
函数，开始执行 C 程序了。

至此可以总结一下 STM32
的启动文件和启动过程。首先对栈和堆的大小进行定义，并在

代码区的起始处建立中断向量表，其第一个表项是栈顶地址，第二个表项是复位中断服务入
口地址。然后在复位中断服务程序中跳转
C/C++标准实时库的__main
函数，完成用户堆栈等

的初始化后，跳转.c
文件中的 main
函数开始执行 C 程序。假设
STM32 被设置为从内部
FLASH

启动（ 这也是最常见的一种情况），中断向量表起始地位为
0x8000000，则栈顶地址存放于

0x8000000 处，而复位中断服务入口地址存放于
0x8000004 处。当
STM32 遇到复位信号后，

则从 0x80000004
处取出复位中断服务入口地址， 继而执行复位中断服务程序， 然后跳转

__main 函数，最后进入
mian 函数，来到
C 的世界。