STM32的启动流分析

第1章启动流程分析

嵌入式程序上电后的经典启动流程：上电 --> 执行初始化指令 --> 调用 SystemInit 配置时钟 --> 调用 __main 初始化 C 语言环境 --> 最终进入你写的 main() 函数开始执行主程序。

__main 函数是在keil软件中的一个库文件中。在该函数中才是调用我们自己写的main() 函数。

1.1 keil软件编译生成的axf文件分析

AXF 的全称是 ARM Executable File （ARM 可执行文件）。当你在 Keil 等 IDE 中写完 C 语言代码，点击"编译链接（Build）"后，编译器会生成这个 .axf 文件。

从上图可以看出整个汇编文件的启动流程。

1.2 单片机的硬件架构

1.3 存储器映射

CPU是通过地址来访问寄存器、RAM、FLASH、定时器、串口等片上外设。ARM寻址范围4GB，分为多个块:

1.3.1 代码区(CODE区)

ARM公司将0x0000 0000 ~ 0x2000 0000 设置为代码区。

0x0000 0000 - 0x002F FFFF：实现存储空间的"重映射"，完成程序的跳转。
1. 这个区域的作用是实现存储空间的"重映射"。它可以将Main Flash 或厂商预置的 Bootloader 映射到 0x00000000 这个起始地址，具体映射哪一个，取决于 BOOT 引脚的配置。
2. 单片机上电后，CPU 固定从 0x00000000 取指执行；当内存控制器识别到该地址为映射窗口时，会自动将访问请求重定向至对应的物理存储区，从而引导程序执行。
0x0800 0000 - 0x082F FFFF：Main Flash区域。该区域是用户烧写程序的地址区域。
0x1FFF B000 - 0x1FFF F7FF：厂商BootLoader区域。单片机厂商出厂时预制进去的一段Bootloader程序（出厂时固化）。该程序是完成ISP机制功能。
- ISP机制：借助下载器(如 J-Link 或 STLink)，通过芯片的 SWD 引脚，把你编译好的bin文件里的机器码，直接写进 GD32 内部的 Flash 存储器里的。总之，ISP机制就完成两个功能，一是接受二进制镜像文件，二是将二进制镜像烧录到Main Flash中。

1.3.2 SRAM区(内存区)

ARM公司将0x2000 0000 ~ 0x4000 0000 设置为SRAM区。

1.3.2.1 栈空间

函数的代码存放在CODE区中的Main Flash【0x0800 0000~0x082F FFFF】中（下图的左侧），而函数运行时产生的数据（栈帧）存放在 RAM 的栈空间中（下图的右侧）。

（1）栈空间的大小

对于ARM 32位单片机，栈空间最大值是在startupARMCM4.s文件里定义的，0x00000400对应十进制是1024，代表栈空间最大值是1024个字节。

栈的大小可以根据工程师需求自己人为修改。工程的复杂度，以及工程师的代码水平都可能影响栈空间的大小。

1.3.2.2 栈空间的失败案例

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 1. 定义包含数组的结构体
typedef struct {
    char name[50];      // 字符数组
    int scores[512];    // 整数数组
    int count;          // 成绩数量
} Student;

// 2. 值传递（会拷贝整个结构体）
void printByValue(Student s) {
    printf("【值传递】姓名: %s, 首个成绩: %d\n", s.name, s.scores[0]);
}

// 3. 指针传递（推荐，只读操作）
void printByPtr(const Student *s) {
    printf("【指针传递】姓名: %s, 首个成绩: %d\n", s->name, s->scores[0]);
}

// 4. 指针传递（用于修改数据）
void updateScore(Student *s, int index, int newScore) {
    s->scores[index] = newScore; // 直接修改原结构体中的数组元素
}

int main() {
    Student stu;
    strcpy(stu.name, "Alice");
    stu.scores[0] = 85;
    stu.count = 1;

    printByValue(stu);      // 传入结构体副本
    printByPtr(&stu);       // 传入结构体地址
    updateScore(&stu, 0, 100); // 通过指针修改原数据
    
    printf("修改后的首个成绩: %d\n", stu.scores[0]);
    return 0;
}

结构体的内存占用说明。

char name[50] = 50 字节
int scores[512] = 512 × 4 = 2048 字节
int count = 4 字节
加上内存对齐，总大小大约在 2100 字节左右。

进入 main 函数（栈空间消耗 ~2100 字节）

当程序进入 main 函数时，编译器会在栈上为局部变量 stu 分配内存。因为结构体里有 512 个 int，所以 stu 会占用约 2100 字节的栈空间。

此时，栈指针（SP）向下移动了 2100 字节。

调用 printByValue(stu)（栈空间再次消耗 ~2100 字节）

因为 printByValue 的参数是按值传递 （没有带 * 号），C 语言的规则是：把实参的值原封不动地复制一份给形参 。

在单片机底层，这通常是通过一段汇编指令（比如 LDM/STM 或 memcpy）把 main 栈里的这 2100 字节，硬生生地再拷贝一份 ，压入到 printByValue 函数自己的栈帧中。

此时，栈指针（SP）会继续向下移动 2100 字节。

工程中的栈总共只有 1024 字节，而仅仅传一次参数就需要 2100 字节，这远远超出了栈的极限，必然引发 Stack Overflow（栈溢出）。

1.3.2 片上外设区

第2章 ARM单片机的启动模式

通过对单片机的引脚进行配置，单片机的启动方式大致分为三种：

（1）从0x0800 0000 - 0x082F FFFF：Main Flash方式启动。

（2）从0x1FFF B000 - 0x1FFF F7FF：Bootloader方式启动。

（3）从片上SRAM启动。

（1）和（2）这两种方式我们经常用。

第3章单片机的复位

在嵌入式单片机（比如你之前看的 GD32、STM32 等 ARM Cortex-M 内核）中，程序的最开始确实是一张"中断向量表"（Interrupt Vector Table） 。这张表本质上是一个**"指针数组"**（里面存放的全是内存地址）。

第 0 个位置（地址 0x00000000） ：存放的是初始主栈指针（MSP）的值。CPU 上电的第一件事，就是把这个值加载到 SP 寄存器里，从而开辟好内存堆栈空间。
第 1 个位置（地址 0x00000004） ：存放的是复位中断服务函数（Reset_Handler）的地址 。CPU 初始化好栈之后，就会跳转到这里，开始执行我们之前分析过的启动汇编代码（SystemInit -> __main -> main）。
后续的位置：依次存放着 NMI、硬件错误（HardFault）、定时器中断、串口中断等各种异常和中断的入口地址。

3.1 中断向量表

3.2 上电复位或系统复位

CPU 上电复位时，它的硬件逻辑被设计为固定去 0x0000 0000 这个地址取数据（读取 MSP 和 PC）。CPU 根本不关心这个地址背后到底是物理内存的哪一块，它只管这个绝对地址。

0x0000 0000 - 0x002F FFFF : Aliased to Main Flash or Boot loader （别名映射）

这就是单片机的"地址映射（Mapping）"机制。

物理上：你的中断向量表确实存放在 Main Flash 的最开头，即物理地址 0x0800 0000 开始的地方。
逻辑上：单片机通过内部硬件电路（内存别名），把物理地址 0x0800 0000 "投射"（镜像）到了 0x0000 0000。也就是说放访问0x0000 0000地址时，其实是访问了0x08000 0000这个地址。

至此单片机上电复位或系统复位首先需要做的两件事情是：

（1）从地址0x0000 0000处取出MSP的初始值(栈顶地址)，用于函数分配内存栈空间;

（2）从地址0x0000 0004处取出PC的初始值，这个值是Reset Handler复位函数的地址，然后从这个地址开始执行程序。

观察并分析上图我们发现：

第1个红框，也就是说Main Flash的第1个地址存放的是栈顶地址。栈顶地址为0x20000428。
第2个红框，也就是说Main Flash的第2个地址存放的是Reset Handler复位函数的地址 。Reset Handler函数的地址为0x08000145。
也就是说Main Flash的第3个地址存放的是NMI_Handler函数的地址 。NMI_Handler函数的地址为0x0800014D。
也就是说Main Flash的第4个地址存放的是HardFault_Handler函数的地址 。HardFault_Handler函数的地址为0x0800014F。
也就是说Main Flash的第5个地址存放的是MemManage_Handler函数的地址 。MemManage_Handler函数的地址为0x08000151。
也就是说Main Flash的第6个地址存放的是BusFault_Handler函数的地址 。BusFault_Handler函数的地址为0x08000153。

依此类推。

3.3 main函数的反汇编

0x0800044a 地址里存放是一条"跳转指令（命令），跳转指令要跳转到0x0800018C去执行。

0x0800044a ：这是当前 main 函数所在的地址。
0x800018c ：这才是真正的延时函数初始化代码（DelayInit）所在的物理地址。
BL指令是跳转去执行完毕之后，要返回来的。

0x0800044e 地址里存放是一条"跳转指令（命令），跳转指令要跳转到0x0800020C去执行。
0x08000452 地址里存放是一条"跳转指令（命令），跳转到 0x08000498（即 main 函数起始地址偏移 78 个字节的位置）。

这里使用的是 B 指令（普通跳转），意味着它只去不回 。CPU 跳到 0x08000498 后，就不会再回到 0x08000452 了，直接进入了主循环。

3.3 存储器映射

再次重复单片机的"地址映射（Mapping）"机制。

物理上：你的中断向量表确实存放在 Main Flash 的最开头，即物理地址 0x0800 0000 开始的地方。
逻辑上：单片机通过内部硬件电路（内存别名），把物理地址 0x0800 0000 "投射"（镜像）到了 0x0000 0000。也就是说放访问0x0000 0000地址时，其实是访问了0x08000 0000这个地址。