STM32F103 单片机(基于 ARM Cortex-M3 内核)的启动过程涉及硬件初始化、固件配置和程序执行流程。

1. 启动模式与地址映射

STM32F103 的启动模式由 BOOT0 和 BOOT1 引脚配置决定,不同的启动模式对应不同的存储器映射:

启动模式 映射地址范围 说明

主 Flash 0x08000000~0x0807FFFF 用户程序存储在 Flash 中,复位后从 Flash 启动(默认模式)。

系统存储器 0x1FFFF000~0x1FFFF7FF 内置 Bootloader(ISP 编程用),用于通过串口/USB 下载程序。

内置 SRAM 0x20000000~0x2000FFFF 调试或临时运行代码时使用,需手动加载程序到 SRAM。

地址重映射:Cortex-M3 内核复位后,始终从 0x00000000 读取初始堆栈指针(SP)和复位向量。STM32 通过内部机制将上述物理地址映射到 0x00000000(例如,Flash 启动时 0x08000000 被映射到 0x00000000)。

2. 启动过程关键步骤

(1) 硬件复位

复位后,内核执行以下操作:

从 0x00000000 读取 初始堆栈指针(MSP)。

从 0x00000004 读取 复位向量地址(程序入口 Reset_Handler)。

跳转到复位向量地址执行代码。

(2) 启动文件(Startup Code)

启动文件(如 startup_stm32f103xe.s)是汇编代码,负责初始化关键硬件并引导到 main() 函数。主要流程如下:

初始化堆栈指针

定义主堆栈(MSP)和可选的进程堆栈(PSP):

c 复制代码
assembly
; 定义堆栈段
Stack_Size      EQU     0x400
                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

向量表(Vector Table)

中断向量表位于 Flash 起始位置,包含中断服务函数地址:

c 复制代码
assembly
; 中断向量表
Vector_Table    DCD     __initial_sp             ; 初始堆栈指针
                DCD     Reset_Handler            ; 复位向量
                DCD     NMI_Handler              ; NMI 处理函数
                DCD     HardFault_Handler        ; 硬件错误处理函数
                ...                              ; 其他中断向量

复位处理函数(Reset_Handler)

复位后执行的核心初始化代码:

c 复制代码
assembly
Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler           [WEAK]
                IMPORT  SystemInit               ; 引入 SystemInit 函数
                IMPORT  __main                  ; 引入 C 库初始化函数
                LDR     R0, =SystemInit          ; 加载 SystemInit 地址
                BLX     R0                       ; 调用 SystemInit(初始化时钟等)
                LDR     R0, =__main              ; 加载 __main 地址
                BX      R0                       ; 跳转到 __main(初始化 C 库并调用 main())
                ENDP

(3) SystemInit 函数

SystemInit() 在 system_stm32f1xx.c 中定义,负责初始化关键系统配置:

设置时钟源(HSI/HSE/PLL)。

配置 Flash 预取、等待周期。

初始化 AHB/APB 总线时钟。

可选:配置向量表偏移寄存器(VTOR)。

(4) __main 和 main()

__main:C 库函数,负责初始化全局变量、堆栈,最终调用用户 main()。

main():用户程序入口。

  1. 关键指令说明
    启动文件中的汇编指令示例:

LDR R0, =label

将 label 的地址加载到寄存器 R0。

assembly

LDR R0, =SystemInit ; 将 SystemInit 函数的地址加载到 R0

BLX R0

跳转到 R0 指向的地址(调用函数),并保存返回地址到 LR 寄存器。

assembly

BLX R0 ; 调用 SystemInit()

BX R0

跳转到 R0 指向的地址(不保存返回地址)。

assembly

BX R0 ; 跳转到 __main

PROC / ENDP

定义函数块的开始和结束。

assembly

Reset_Handler PROC

...

ENDP

4. 内存布局与 VTOR

向量表偏移寄存器(VTOR):

默认向量表位于 Flash(0x08000000),可通过修改 VTOR 寄存器重定位向量表(如将向量表复制到 RAM):

c

SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; // 在 SystemInit 中配置

典型内存分布:

0x00000000: 映射到启动存储器(Flash/系统存储器/SRAM)

0x08000000: Flash 实际地址

0x20000000: SRAM 地址

0x40000000: 外设寄存器

5. 常见问题

启动失败的可能原因

堆栈溢出导致 MSP 初始化错误。

复位向量未正确指向 Reset_Handler。

时钟配置错误(如未启用外部晶振 HSE)。

调试技巧

检查向量表是否对齐到 0x200 的倍数。

使用调试器查看 SP 和 PC 的初始值。

总结

STM32F103 的启动过程由硬件复位、启动文件初始化、系统配置和用户程序执行组成。理解地址映射、向量表和关键指令对调试和优化启动流程至关重要。开发者可通过修改启动文件或调整 BOOT 引脚选择不同的启动模式。

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