嵌入式进阶——MCU上电后的动作

MCU上电后的动作

配套视频 ：p04_mcu_startup_1080p30.mp4（1920×1080@30，7 分 12 秒，10 章）

【俺系一坨硅的作品】【芯片拆解室】 按下复位后，芯片内部发生了什么？

【MCU拆解室--MCU的启动过程-哔哩哔哩】 https://b23.tv/oaufs54

参考芯片 ：STM32F103C8T6（Cortex-M3，72 MHz，64 KB Flash，20 KB SRAM）

本文定位：对照阅读版。地址、段大小、等待周期都来自本集真实 ELF / map / 数据手册。

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阅读指南

章节	对应视频	时间码	一句话
0	---	---	三个问题
1	L1 上电	00:00	复位后 1 毫秒里的五拍
2	L2 三块地皮	00:57	手册 p11/p34 与地址空间
3	L3 时钟心跳	01:32	HSI→HSE→PLL 72 MHz
4	L4 链接脚本	02:04	ENTRY/MEMORY/SECTIONS 三件事
5	L5 启动文件	03:48	向量表 → Reset_Handler → main
6	L6 取指执行	04:18	Thumb 16/32 位与流水线
7	L7 栈	04:45	push/sub/pop 与 1540 字节
8	L8 中断	05:24	硬件自动压 8 个寄存器
9	L9 总线	06:05	等待周期与 ramfunc
10	L10 总览	06:53	十拍路径

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第 0 章　三个问题

1. 复位之后，CPU 怎么知道第一条指令在哪？
2. 谁把 .data 从 Flash 搬进 RAM？谁把 .bss 清零？
3. 中断发生时，现场是谁保存的？

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第 1 章　上电后的 1 毫秒

图 1-1　STM32F103 最小系统板：3.3 V、晶振、复位键（视频 00:15）

复位后，硬件只做两件事（读向量表前两项）：

拍	读哪里	装进	值（本工程）
1	[0x0000_0000]	SP	0x2000_5000
2	[0x0000_0004]	PC	0x0800_086C（Reset_Handler）

然后启动代码接手：

3. SystemInit：配时钟（HSI 8 MHz → PLL 72 MHz）；
4. 把 .data 从 Flash 拷到 SRAM；
5. 把 .bss 从 0x2000_0060 清到 0x2000_0224；
6. bl main → PC = 0x0800_0958。

图 1-2　五拍：读栈顶 / 读复位向量 / 搬 data / 清 bss / 跳 main（视频 00:40）

为什么先设 SP 再跳？ 因为 C 函数一进去就要用栈；没有 SP 就没有栈，任何 push 都会写飞。

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第 2 章　三块地皮与地址空间

图 2-1　RM0008/DS 框图：内核 72 MHz、Flash 64 KB、SRAM 20 KB、BusMatrix（视频 01:15）

区域	起始	大小	权限
Flash	0x0800_0000	64 KB	读/执行
SRAM	0x2000_0000	20 KB	读/写/执行
外设	0x4000_0000	---	读/写
内核外设（NVIC/SysTick）	0xE000_0000	---	读/写

地址就是门牌号：CPU 不区分"内存"和"外设"，总线译码器按地址分发。

本集与 P02 的差别 ：P02 用 L552（512 KB/256 KB）讲概念；从本集起统一到 F103（64 KB/20 KB）。所以本集所有地址都以 F103 为准（_estack = 0x2000_5000）。

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第 3 章　时钟：芯片的心跳

图 3-1　HSI/HSE → PLL → SYSCLK → AHB/APB（视频 01:45）

步骤	时钟	频率
上电默认	HSI（内部 RC）	8 MHz
外部晶振稳定	HSE	8 MHz
PLL ×9	SYSCLK	72 MHz
AHB 分频	HCLK	72 MHz
APB1 分频 /2	PCLK1	36 MHz
APB2 分频 /1	PCLK2	72 MHz

为什么要先 HSI 再 HSE？ 上电时外部晶振还没起振（需要几毫秒），先用内部 RC 保证芯片能跑，等 HSE 稳定再切换。

时钟决定了"一拍"有多长；后面第 9 章的等待周期、第 8 章的 1 ms 中断，都以它为前提。

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第 4 章　链接脚本：三块骨架

图 4-1　ENTRY / MEMORY / SECTIONS；权限字母 rx / rwx；通配符；AT>FLASH（视频 02:45）

4.1 ENTRY 与 MEMORY

ENTRY(Reset_Handler)
MEMORY {
  FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K
  RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
}

• (rx)：可读可执行，不可写 → 所以变量不能住在 Flash；
• (rwx)：可读可写可执行 → RAM。

4.2 SECTIONS 与权限的含义

.isr_vector : { KEEP(*(.isr_vector)) } >FLASH
.text       : { *(.text .text.*) }     >FLASH
.rodata     : { *(.rodata .rodata.*) } >FLASH
.data       : { *(.data) }             >RAM AT> FLASH
.bss        : { *(.bss) }              >RAM
._user_heap_stack : { ... }            >RAM

• 括号里不是文件名，是通配符 ：把所有 .o 的同名段收进来；
• .data 的 AT> FLASH：运行地址在 RAM，装载地址在 Flash（LMA/VMA）；
• .bss 不占 Flash，启动时清零。

4.3 对着真实固件看

段	地址	大小
.isr_vector	0x0800_0000	236 B
.text	0x0800_00EC	3,268 B
.rodata	0x0800_0DB0	16 B
.data	LMA 0x0800_0DC8 / VMA 0x2000_0000	96 B
.bss	0x2000_0060	452 B
._user_heap_stack	0x2000_0224	1,540 B
_estack	0x2000_5000	---

_estack 钉死在 SRAM 顶端：栈从这里往下长。

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第 5 章　启动文件：逐行看

图 5-1　向量表前三项（小端）+ 复位那一拍 SP/PC 同时点亮（视频 04:00）

__Vectors:
  .word 0x20005000      ; [0] 初始 SP
  .word Reset_Handler   ; [4] 复位入口
  .word NMI_Handler     ; [8]
  ...
  .word SysTick_Handler ; [0x3C] 第 15 项

Reset_Handler 的真实流程：

Reset_Handler:
  bl   SystemInit            ; 配时钟
  ldr  r0, =_sdata
  ldr  r1, =_sidata          ; Flash 里的 .data 模板
  ldr  r2, =_edata
CopyDataInit:
  ldr  r3, [r1], #4
  str  r3, [r0], #4
  cmp  r0, r2
  bcc  CopyDataInit          ; 搬 .data
  ldr  r0, =_sbss
  ldr  r1, =_ebss
  movs r3, #0
FillZerobss:
  str  r3, [r0], #4
  cmp  r0, r1
  bcc  FillZerobss           ; 清 .bss
  bl   main                  ; 进 main

注意 ldr r3,[r1],#4：带后索引的 ldr------读完自动把指针加 4，是拷贝循环的经典写法。

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第 6 章　取指与执行

图 6-1　PC 指向 Flash，指令经 AHB 取回；0x4803 是一条 16 位 Thumb 指令（视频 04:30）

• 每条指令先按 PC 从 Flash 读；Cortex-M3 是三级流水线（取指/译码/执行）；
• Thumb-2：大部分指令 16 位，复杂指令 32 位；
• 0x4803 = ldr r0, [pc, #12]（16 位）。

取指要经过 AHB、Flash；Flash 有等待周期（第 9 章），这就是"流水线气泡"的来源。

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第 7 章　栈：1540 字节的家底

图 7-1　C/汇编/栈三栏对照：push 压帧、sub 腾空间、pop 返回（视频 05:05）

; 函数入口
push {r4, lr}        ; 保存现场
sub  sp, #8          ; 局部变量（int s）
...
pop  {r4, pc}        ; 恢复并返回

• 上电 SP = 0x2000_5000；
• 链接脚本没有显式分配栈，栈和堆共享剩下的 1,540 字节 （0x2000_0224 向上到 0x2000_5000）；
• 撞上就 HardFault（或踩坏 .bss）。

工程建议 ：用 -Wl,--print-memory-usage 和 map 文件确认余量；中断嵌套、递归、大局部数组都会加深栈。

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第 8 章　中断：硬件替你做的那部分

图 8-1　SysTick 打断主循环，硬件自动压 R0--R3/R12/LR/PC/xPSR（视频 05:45）

SysTick 每 1 ms 打断一次：

1. 硬件自动把 8 个寄存器 压栈：R0 R1 R2 R3 R12 LR PC xPSR；
2. 从向量表第 15 项（偏移 0x3C）取 SysTick_Handler，装进 PC；
3. 返回时硬件自动弹栈（EXC_RETURN 决定用 MSP 还是 PSP）。

重要边界 ：自动压栈是 Cortex-M 的硬件特性；AVR、多数 RISC-V 需要软件保存现场。面试常考。

被中断的现场 （真实反汇编）：主循环 0x0800_0978 ldr r2,[r4] → 097A cmp → 097C bne；压栈时 PC 记的是 0x0800_097C，返回后从这里继续。

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第 9 章　总线：等待周期与 ramfunc

图 9-1　HCLK 扫描九拍、Flash 一次读要 3 拍（2 个等待周期）（视频 06:20）

• AHB 72 MHz；CPU 取指/数据都走它；
• Flash 跟不上 72 MHz ：一次读要 2 个等待周期（共 3 拍）；
• 对策一：打开预取缓冲（FLASH->ACR 的 PRFTBE），减少气泡；
• 对策二：把最热的函数搬进 RAM（ramfunc）。

ramfunc 三步：

__attribute__((section(".ramfunc"))) void hot(void) { ... }

.ramfunc : { *(.ramfunc .ramfunc.*) } >RAM AT> FLASH

; 启动文件里已有的 CopyDataInit 稍作修改即可搬 .ramfunc

代价：占 RAM、启动多一次拷贝、只适合最热的函数。

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第 10 章　总览：十拍路径

1. 上电/复位 → 读 [0] 设 SP；
2. 读 [4] 跳 Reset_Handler；
3. SystemInit 配时钟；
4. 搬 .data；
5. 清 .bss；
6. bl main；
7. 取指（Flash → AHB → CPU）；
8. 函数用栈（push/sub/pop）；
9. 中断自动压栈；
10. 总线等待周期与 ramfunc 优化。

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自测（10 题）

1. 复位后前两条"指令"读的是什么？
2. 为什么链接脚本里 Flash 没有 w？
3. .data 的 LMA 和 VMA 分别在哪？
4. _estack 是多少？为什么是这个值？
5. SysTick 中断硬件压了哪 8 个寄存器？
6. 为什么中断返回能"自动"弹栈？
7. Flash 等待周期是多少？影响什么？
8. ramfunc 的三步与代价？
9. 栈和堆共享多少字节？撞上会怎样？
10. 为什么先 HSI 再 HSE？

参考答案

1. 向量表第 0 项（SP 初值）和第 1 项（复位入口）。
2. Flash 只读/可执行，不可写；变量必须在 RAM。
3. LMA 在 Flash（0x0800_0DC8），VMA 在 RAM（0x2000_0000）。
4. 0x2000_5000（20 KB SRAM 顶端），栈从这里向下长。
5. R0 R1 R2 R3 R12 LR PC xPSR。
6. EXC_RETURN 特殊值告知硬件从哪个栈恢复。
7. 2 个等待周期（一次读 3 拍）；影响取指/数据吞吐。
8. section(".ramfunc") + 链接脚本 >RAM AT>FLASH + 启动拷贝；代价是 RAM 占用与启动拷贝。
9. 1,540 字节；撞上 HardFault 或踩坏 .bss。
10. 上电时外部晶振未稳定，先用内部 RC 保证可运行。