STM32类别概述、下载程序及启动过程分析

STM32类别概述、下载程序及启动过程分析

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STM32类别

STM32 目前总共有 5 大类，18 个系列
结合 STM32F1 的芯片来说，其 CMSIS 应用程序的简单结构框图，不包括实时操作系统和

中间设备等组件，其结构如下图所示：

STM32下载程序

STM32 常见的下载方式有三种
表中 BOOT0 和 BOOT1 是 STM32 芯片上面的两个引脚，用于控制STM32的启动方式
由于从系统存储器启动，是不运行用户程序的，所以不管用户程序怎么写，此模式下都可以通过仿真器下载代码。所以，该模式可常用于异常关闭 JTAG/SWD 导致仿真器无法下载程序时的补救措施（在此模式下，下载一个不关闭 JTAG/SWD 接口的程序即可救活）

STM32启动过程分析

这里的启动过程是指从 STM32 芯片上电复位执行的第一条指令开始，到执行用户编写的 main 函数这之间的过程。我们编写程序，基本都是用 C 语言编写，并且以 main 函数作为程序的入口。但是事实上，main 函数并非最先执行的，在此之前需要做一些准备工作，准备工作通过启动文件的程序来完成。

我们知道的复位方式有三种：上电复位，硬件复位和软件复位。当产生复位，并且离开复位状态后，CM3 内核做的第一件事就是读取下列两个 32 位整数的值：

（1）从地址 0x0000 0000 处取出堆栈指针 MSP 的初始值，该值就是栈顶地址。

（2）从地址 0x0000 0004 处取出程序计数器指针 PC 的初始值，该值指向复位后执行的第一条指令。下面用示意图表示
上述过程中，内核是从 0x0000 0000 和 0x0000 0004 两个的地址获取堆栈指针 SP 和程序计数器指针 PC。事实上，0x0000 0000 和 0x0000 0004 两个的地址可以被重映射到其他的地址空间。

例如：我们将 0x0800 0000 映射到 0x0000 0000，即从内部 FLASH 启动，那么内核会从地址 0x0800 0000 处取出堆栈指针 MSP 的初始值，从地址 0x0800 0004 处取出程序计数器指针PC 的初始值。

CPU 会从 PC 寄存器指向的地址空间取出的第 1 条指令开始执行程序，就是开始执行复位中断服务程序 Reset_Handler。将 0x0000 0000 和 0x0000 0004 两个地址重映射到其他的地址空间，就是启动模式选择。

---------------------------------------------启动模式选择表----------------------------------------------------

注：启动引脚的电平：0：低电平；1：高电平；x:任意电平，即高低电平均可由表可以看到，STM32F1 根据 BOOT 引脚的电平选择启动模式，这两个 BOOT 引脚根据外部施加的电平来决定芯片的启动地址。（0 和 1 的准确电平范围可以查看 F103 系列数据手册 I/O 特性表，但我们最好是设置成 GND 和 VDD 的电平值）。

（1）内部 FLASH 启动方式

当芯片上电后采样到 BOOT0 引脚为低电平时，0x00000000 和 0x00000004 地址被映射到内部FLASH的首地址0x08000000和0x08000004。因此，内核离开复位状态后，读取内部FLASH的 0x08000000 地址空间存储的内容，赋值给栈指针 MSP，作为栈顶地址，再读取内部 FLASH的 0x08000004 地址空间存储的内容，赋值给程序指针 PC，作为将要执行的第一条指令所在的地址。完成这两个操作后，内核就可以开始从 PC 指向的地址中读取指令执行了。

（2）内部 SRAM 启动方式

类似于内部 Flash，当芯片上电后采样到 BOOT0 和 BOOT1 引脚均为高电平时，地址

0x00000000 和 0x00000004 被映射到内部 SRAM 的首地址 0x20000000 和 0x20000004，内核从SRAM 空间获取内容进行自举。在实际应用中，由启动文件 starttup_stm32f103xe.s 决定了

0x00000000 和 0x00000004 地址存储什么内容，链接时，由分散加载文件(sct)决定这些内容的绝对地址，即分配到内部 FLASH 还是内部 SRAM。

（3）系统存储器启动方式

当芯片上电后采样到 BOOT0 =1，BOOT1=0 的组合时，内核将从系统存储器的 0x1FFFF000

及 0x1FFFF004 获取 MSP 及 PC 值进行自举。系统存储器是一段特殊的空间，用户不能访问，

ST 公司在芯片出厂前就在系统存储器中固化了一段代码。因而使用系统存储器启动方式时，内

核会执行该代码，该代码运行时，会为 ISP(In System Program)提供支持，在 STM32F1 上最常

见的是检测 USART1 传输过来的信息，并根据这些信息更新自己内部 FLASH 的内容，达到升

级产品应用程序的目的，因此这种启动方式也称为 ISP 启动方式。

IAP 是用户自己的程序在运行过程中对 User Flash 的部分区域进行烧写，目的是为了在产品发布后可以方便地通过预留的通信口对产品中的固件程序进行更新升级，由于用户可以自定义通讯方式和自定义加密，使得 IAP 在使用上非常灵活。通常实现 IAP 功能时，即用户程序运行中作自身的更新操作，需要在设计固件程序时编写两个项目代码，第一个程序检查有无升级需求，并通过某种通信方式(如 USB、USART)接收程序或数据，执行对第二部分代码的更新；第二个项目代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码都同时烧录在 User Flash 中，当芯片上电后，首先是第一个项目代码开始运行，它做如下操作：

1）检查是否需要对第二部分代码进行更新

2）如果不需要更新则转到 4）

3）执行更新操作

4）跳转到第二部分代码执行

第一部分代码必须通过其它手段，如 JTAG、ISP 等方式烧录，常常是烧录后就不再进行更改；第二部分代码可以使用第一部分代码 IAP 功能烧入，也可以和第一部分代码一起烧入，以后需要程序更新时再通过第一部分 IAP 代码更新。

我们将第一个项目代码称之为 Bootloader 程序，第二个项目代码称之为 APP 程序，他们存放在 STM32F103 内部 FLASH 的不同地址范围，一般从最低地址区开始存放 Bootloader，紧跟其后的就是 APP 程序（注意，如果 FLASH 容量足够，是可以设计很多 APP 程序的，本章我们只讨论一个 APP 程序的情况）。这样我们就是要实现 2 个程序：Bootloader 和 APP。

我们先来看看 STM32F1 正常的程序运行流程（为了方便说明 IAP 过程，我们先仅考虑代码全部存放在内部 FLASH 的情况）

STM32F1 的内部闪存（FLASH）地址起始于 0X0800 0000，一般情况下，程序文件就从此地址开始写入。此外 STM32F103 是基于 Cortex-M3 内核的微控制器，其内部通过一张"中断向量表"来响应中断，程序启动后，将首先从"中断向量表"取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动，而这张"中断向量表"的起始地址是 0x08000004，当中断来临，STM32F103 的内部硬件机制亦会自动将 PC 指针定位到"中断向量表"处，并根据中断源取出对应的中断向量执行中断服务程序。

在图 53.1.1 中，STM32F103 在复位后，先从 0X08000004 地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序，如图标号①所示；在复位中断服务程序执行完之后，会跳转到我们的 main 函数，如图标号②所示；而我们的 main 函数一般都是一个死循环，在 main 函数执行过程中，如果收到中断请求（发生了中断），此时 STM32F103 强制将 PC 指针指回中断向量表处，如图标号③所示；然后，根据中断源进入相应的中断服务程序，如图标号④所示；在执行完中断服务程序以后，程序再次返回 main 函数执行，如图标号⑤所示。