详细解析单片机启动汇编文件：以startup_stm32f407xx.s为例

在嵌入式开发中，启动文件 （例如startup_stm32f407xx.s）是单片机系统运行的基础。它负责在单片机上电或复位后，完成最初的硬件和软件环境初始化 ，包括设置堆栈、建立中断向量表、跳转到主程序入口等关键步骤。

下面我将以startup_stm32f407xx.s为例子，逐段介绍该启动文件 ，最后再梳理一下单片机从上电到执行main()函数的整个过程。相信在看完本篇博客后，你对单片机的启动会有一个比较深刻的理解，同时当单片机调试的时候卡死在了汇编.s文件里面，你也能大致知道是什么问题了！

一、堆栈的配置

堆和栈都是用来管理程序运行时的内存空间。

栈 ： 用于存放函数调用的局部变量、参数和返回地址 ，每次进入函数自动分配空间，退出自动释放，空间较小但访问速度快，适合临时数据和递归调用。在单个任务/线程的局部变量多、递归深度大时，栈需要设置得较大。

堆 ：用于动态分配内存 （如malloc/new），适合存放生命周期较长或大小不确定的数据，空间较大但分配和释放速度较慢，需要手动管理。当需要频繁动态分配大量数据（如动态数组、链表、任务控制块等）时，堆需要设置得较大。

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本节用到的汇编代码：

EQU（equal）：等于。

AREA ：是ARM汇编的伪指令，定义一个内存区域，不实际分配空间。

SPACE ：在上个AREA定义的区域内，分配指定大小的空间。

EXPORT ：导出为全局符号，让链接器和其他文件都能访问它们。

标签：用来标记某个内存地址或代码位置的符号。标签本质上就是一个名字，代表当前位置的地址，方便后续引用或跳转。

1.1 栈区域定义

这段代码完成了栈的配置：

• EQU 是"等于"的意思，用于定义常量。Stack_Size EQU 0x400 意思是 Stack_Size 这个符号的值等于 0x400（1024字节）
• AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3定义一个名为 STACK 的内存区域，属性为无初始化（NOINIT）、可读写（READWRITE）、8字节对齐（ALIGN=3，即2³=8）
• Stack_Mem SPACE Stack_Size 在当前区域内分配指定大小的空间，Stack_Mem 是这块空间的起始地址标签
• __initial_sp 是一个标签，标记堆栈顶部地址，CPU复位时会用它初始化堆栈指针

1.2 堆区域定义

堆区域的配置与栈类似，但增加了起始和结束标签（__heap_base和__heap_limit），便于C库进行动态内存管理。

1.3 其他配置

这两个配置确保了代码在Cortex-M4处理器上的正确运行。

二、中断向量表的构建

中断向量表 ，是 Cortex-M4 启动时最重要的数据结构之一，位于程序存储器的起始地址 （通常是0x00000000）。每一项都是一个32位的地址，告诉CPU发生某种异常或中断时应该跳转到哪个处理函数。

单片机上电后，一般默认从中断向量表开始执行，并且把表内第一个值赋值给SP寄存器，第二个值赋值给PC寄存器。

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本节用到的汇编代码：

DCD（Define Constant Doubleword）：定义32位常量。

EXPORT：导出为全局符号，让链接器和其他文件都能访问它们。

2.1 向量表区域声明

AREA RESET, DATA, READONLY 定义了名字为RESET区域，是数据段，只读，之后分配的空间就属于这个区域。再次申明，AREA 不会实际分配地址，只是给某一片区域起一个名字。

然后用export导出。EXPORT 指令将这些符号导出为全局符号，让链接器和其他模块可以访问。

2.2 系统异常向量表（前16项）

DCD（Define Constant Doubleword）定义32位常量，每一项都是一个中断处理函数的地址。前16项是ARM Cortex-M内核规定的系统异常，包括：

• 第0项（__initial_sp）：初始堆栈指针，CPU复位时自动加载到SP寄存器，而__initial_sp正好是栈顶指针。
• 第1项（Reset_Handler）：复位处理函数，CPU复位时自动加载到PC寄存器，因此接下来会跳转到Reset_Handler捏~
• 第2-15项：各种系统异常的处理函数

特别注意： 在32位单片机中，双字应该是64位，但这里DCD定义的双字却是32位常量，这是历史遗留问题，这边困惑了我好久来着，但是网上是这么说的。除此之外还有DCB（Define Constant Byte）：定义8位常量。

DCW（Define Constant Word）：定义16位常量。

2.3 外部中断向量表

外部中断向量表定义了STM32F407xx特有的82个外设中断，涵盖了定时器、通信接口、DMA、USB等所有外设的中断处理入口。

很多初学者会疑问：为什么向量表中只是登记了地址，CPU就能跳转执行，正常不应该是PC=PC+4吗？这是因为中断响应是CPU的硬件行为。当中断发生时，CPU会自动查找中断向量表，获取对应的处理函数地址，然后硬件自动将PC（程序计数器）设置为该地址，开始执行中断处理代码。这个过程不需要软件指令参与，完全由硬件完成。

三、复位处理函数：系统启动的核心

复位处理函数 是系统启动后执行的第一段用户代码，负责完成从硬件复位到跳转至C程序的整个过程。

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本节用到的汇编代码：

PROC/ENDP：定义一个汇编过程（函数），类似C语言的函数定义。

EXPORT [WEAK]：将符号导出为弱符号，允许用户在其他文件里面重新定义。

IMPORT：声明外部符号，告诉链接器这些函数在其他文件中定义。

LDR R0, =symbol(Load Register）：将symbol的地址加载到寄存器R0。

BLX(Branch with Link and Exchange)和BX(Branch and Exchange)：BLX会保存返回地址到LR寄存器，用于函数调用；BX只是跳转，不保存返回地址。

3.1复位处理函数的完整实现：

执行流程如下：

1. PROC/ENDP：定义一个汇编过程（函数），名字叫Reset_Handler，这是复位中断的入口函数
2. EXPORT [WEAK]：把Reset_Handler导出为全局符号，链接器可以找到它。[WEAK]表示弱符号，用户可以在其他文件中重新定义它
3. IMPORT：声明外部符号，告诉汇编器和链接器，这些符号在其他文件里定义
4. LDR R0, =SystemInit：把SystemInit的地址加载到寄存器R0。= 表示取SystemInit的地址
5. BLX R0：跳转并调用SystemInit，同时保存返回地址到LR寄存器，完成系统初始化
6. BX R0：跳转到__main，不保存返回地址（因为不会返回），进入C库启动流程

注意：__main 不是用户的main函数，而是C库的启动入口，这个由编译器和标准库实现，用户一般是看不到代码的，也无需关心。它负责初始化C运行环境（如全局变量、BSS段清零等），然后自动调用用户的main()函数。双下划线是编译器约定，表示这是一个特殊的、内部使用的符号。

3.2.SystemInit（）的实现

LDR R0, =SystemInit会自动调用system_stm32f4xx.c里面的SystemInit（），这个函数主要干了三件事：

1.FPU（浮点运算单元）设置

如果芯片带有 FPU 并且启用了 FPU（由 __FPU_PRESENT 和 __FPU_USED 两个宏控制），SystemInit 会通过设置 SCB->CPACR 寄存器，让协处理器 CP10 和 CP11（即 FPU）拥有完全访问权限。这样后续 C 代码里的浮点运算就能直接用硬件加速，提高运算效率。

#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
   SCB->CPACR |= ((3UL << 10 * 2) | (3UL << 11 * 2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
#endif

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2.外部存储器初始化（可选）

如果你定义了 DATA_IN_ExtSRAM 或 DATA_IN_ExtSDRAM，说明你的板子上接了外部 SRAM 或 SDRAM 芯片。此时会调用 SystemInit_ExtMemCtl()，初始化外部存储器控制器（FMC/FSMC），配置相关引脚和时序，让外部 RAM 可用。这样可以突破片内 RAM 的限制，把堆、栈、全局变量等分配到外部存储器，适合需要大量内存的应用场景。

#if defined (DATA_IN_ExtSRAM) || defined (DATA_IN_ExtSDRAM)
  SystemInit_ExtMemCtl(); 
#endif

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3.中断向量表重定位（可选）

默认情况下，中断向量表位于 Flash 的起始地址。如果你定义了 USER_VECT_TAB_ADDRESS，则会通过设置 SCB->VTOR 寄存器，把中断向量表重定位到 SRAM 或其他指定位置。这在 Bootloader、IAP（在线升级）、多系统切换等场景下非常有用，可以灵活切换中断入口。

#if defined(USER_VECT_TAB_ADDRESS)
  SCB->VTOR = VECT_TAB_BASE_ADDRESS | VECT_TAB_OFFSET;
#endif

四、默认中断处理函数的设计

启动文件为所有中断都提供了默认的处理机制，既保证了系统的稳定性，又为用户提供了灵活的定制空间。

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本节用到的汇编代码：

B .：跳转指令，.代表当前指令的地址，因此就是个死循环。

\：表示当前行与下一行是连续的，应该被当作一行来处理。

弱符号：允许用户在自己的代码中重新定义，编译器会优先使用用户定义的版本。

4.1 系统异常的独立处理

系统异常采用独立定义的方式，每个异常都有自己的处理函数。这是占位符式的异常处理函数，提供最基本的"陷入死循环"功能。B . 指令创建了一个无限循环：

• B 是跳转指令
• . 代表当前指令的地址
• 因此 B . 就是"跳转到自己"，形成死循环

这种设计的目的是：

1. 防止程序跑飞：异常发生时程序停在已知位置
2. 便于调试：调试器可以准确定位异常类型
3. 允许重定义：用户可以实现自己的异常处理逻辑

4.2 外设中断的统一处理机制

...省略类似代码

...省略类似代码

外设中断采用了巧妙的多对一设计，所有这些中断处理函数都指向同一个Default_Handler，并被导出为弱符号，所有未实现的中断都执行同一个死循环。

这种设计既节省了代码空间，又保持了完全的可定制性。前面在中断向量表里面已经定义了入口地址，在发生中断后，CPU自动通过中断向量表跳到对应的地址，如果重写了函数就开始执行，不然会进这里的死循环。

五、内存管理的兼容性设计

启动文件通过条件编译支持不同的C库，因为不同的库需要有不同的堆栈初始化过程。

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本节用到的汇编代码：

IF :DEF:__MICROLIB / ELSE / ENDIF：条件编译结构，用于适配不同的C库。

LDR R0, =address：将地址加载到寄存器R0。

BX LR：返回到调用者，相当于C语言中的return。

条件编译结构：

如果定义了 __MICROLIB（轻量级库），则直接导出 __initial_sp（栈顶）、__heap_base（堆起始）、__heap_limit（堆结束）这几个符号，供库使用。

如果使用标准库，则导入 __use_two_region_memory（告诉链接器采用两段式内存管理），并导出 __user_initial_stackheap。标准库会调用 __user_initial_stackheap，该函数通过寄存器返回堆和栈的起始与结束地址（R0~R3），用于C库初始化内存分区。

最后用 ALIGN 保证区域对齐，ENDIF 结束条件编译。

六、启动流程的完整梳理

综上所属，整个启动过程可分为如下几个步骤：

1.硬件复位：单片机上电或复位后，CPU自动从向量表的第0项开始执行，即标记为__Vectors的地址。

2.堆栈指针初始化：CPU读取向量表第0项（__initial_sp，即Stack_Mem + Stack_Size，也就是栈空间的最高地址（顶端）），并自动将其设置SP寄存器，这是硬件完成的

3.程序计数器设置：CPU读取向量表第1项(Reset_Handler)，设置PC寄存器指向Reset_Handler，因此后面会直接运行Reset_Handler这个过程

4.系统初始化：由于CP跳转到了指向Reset_Handler的地址，接下来会运行Reset_Handler，在这里面执行SystemInit和__main，__main最后跳入用户定义的main()函数。

SystemInit位于system_stm32f4xx.c里面，主要是完成系统级硬件初始化，包括 FPU（浮点运算单元）权限设置、外部存储器（SRAM/SDRAM）初始化（可选）、中断向量表重定位（可选），为后续 C 语言环境和主程序运行做好准备。

__main函数是 C 库的入口，由编译器和标准库实现。__main 会负责初始化 C 运行环境（比如堆栈、全局变量、C库等）。

5.应用程序启动：__main最终会调用用户的main()函数，随后运行你的逻辑。

七、实际应用中的考虑因素

7.1 内存配置的优化

在实际项目中，需要根据应用需求调整内存配置：

; 根据应用需求调整堆栈大小
Stack_Size      EQU     0x800         
Heap_Size       EQU     0x1000         

内存配置建议：

• 简单应用：堆栈1KB，堆512字节即可
• 中等复杂度：堆栈2-4KB，堆1-2KB
• 复杂应用：根据实际需求动态调整，可能需要8KB以上

7.2 中断处理的实现

用户可以在任意地方重新定义任意中断处理函数，只要被编译器编译了就行。编译器会自动使用用户定义的版本：

// 在C文件中实现具体的中断处理，给出两个例子
void WWDG_IRQHandler(void) {
    // 处理窗口看门狗中断
    // 清除中断标志
    // 执行相应的处理逻辑
}

void HardFault_Handler(void) {
    // 保存错误信息
    // 尝试恢复或安全关闭
    // 重启系统
    while(1); // 最后的安全措施
}