STM32单片机启动流程分析_main函数,是单片机运行的第一个函数吗?

STM32单片机是如何执行自己的代码的？

  作为一个单片机相关的开发人员，大家应该都很清楚单片机是从main函数开始执行代码的，但是很显然微控制器无法从硬件上定位main函数的入口地址，因为使用C语言作为开发语言后，变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配，这样一来main函数的入口地址在微控制器的内部存储空间中不再是绝对不变的。那么单片机又是如何找到咱们所写的main函数的呢，大家应该在各种单片机开发过程中都会了解到一个启动文件的东西。没错，单片机正式通过启动文件来找到咱们的main函数的。接下来咱们就来看一下STM32单片机是如何启动的。

官方给的启动流程图如下

  上述开机启动流程比较详细，内容较为全面，但部分步骤可以省略（红字可省略标出），因为对于某些初始化，我们可能会在main函数中重新配置。
  其中提到了两个指针一个是SP指针一个是PC指针，这两个指针的作用如下：
  PC：Program Counter，是通用寄存器，但是有特殊用途，用来指向当前运行指令的下一条指令。
  SP：Stack Pointer，堆栈指针，也是通用寄存器，用于入栈和出栈操作。
对于ARM7而言，是三级流水线结构，一条指令为4个字节大小，一条指令包含三个过程：Fetch（取指）、Decode（译指）、Execute（执行）。
  CPU运行地址 = 当前PC值 = 当前程序执行位置 + 8；
  对于ARM7而言，PC为R15，SP为R13。
  PC不是指向正在执行的指令，而是始终指向下一个取指的指令。对于ARM7三级流水先结构和指令的三个过程，所以PC = 当前程序执行位置 + 8。

启动地址

  单片机上电之后会默认从地址0x00000000取出栈指针的初始值，作为MSP的值,从地址0x00000004取出程序指针PC的初始值，对应第一条执行的程序。我以我们需要看一下STM32官方对内存地址的管理，STM32将4GB的地址空间进行了如下划分：

 其中Block 0 的内容如下，我们从哪里开始执行代码取决于BOOT引脚：

 BOOT引脚的电平和启动位置的具体关系如下,一般我们在KEIL软件中设置的下载地址是从0x0800 0000开始，也就是说咱们的代码一般是保存到Flash里的，所以一般也是从主闪存存储器开始执行的:

启动文件分析

 无论性能高下，结构简繁，价格贵贱，每一种微控制器（处理器）都必须有启动文件，启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间（称为启动过程）所必须进行的工作。最为常见的51，AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预启动过程，只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。
启动文件是使用汇编指令写的，所以在看启动文件之前大家需要先了解一下汇编指令，常用的汇编指令如下：

 有了以上汇编指令的基础，那么我们去读启动文件就会方便很多：

堆栈定义

 1，Stack栈
 栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM 的大小。当程序较大时，需要修改栈的大小，不然可能会出现的HardFault的错误。

第35行：表示开辟栈的大小为 0X00002000，EQU是伪指令，相当于C 中的 define。
第37行：开辟一段可读可写数据空间，ARER 伪指令表示下面将开始定义一个代码段或者数据段。此处是定义数据段。ARER 后面的关键字表示这个段的属性。段名为STACK，可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可读可写，ALIGN=3，表示按照 8 字节对齐。
第38行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size连续内存空间，单位为字节。
第39行： __initial_sp表示栈顶地址。栈是由高向低生长的。

  2，Heap堆
堆主要用来动态内存的分配，像 malloc()函数申请的内存就在堆中。

 开辟堆的大小为 0X00000200（512 字节），名字为 HEAP，NOINIT 即不初始化，可读可写，8字节对齐。__heap_base 表示对的起始地址，__heap_limit 表示堆的结束地址。

向量表

 向量表是一个WORD（ 32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。
值得注意的是这里有个另类： 0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值，后面会具体讲解。


 第57行：定义一块代码段，段名字是RESET，READONLY 表示只读。
 第58-60行：使用EXPORT将3个标识符申明为可被外部引用，声明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局属性。
 第62行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 个 4 字节的空间。每行 DCD 都会生成一个 4 字节的二进制代码，中断向 量表 存放的实际上是中断服务程序的入口地址。当异常（也即是中断事件）发生时，CPU 的中断系统会将相应的入口地址赋值给 PC  程序计数器，之后就开始执行中断服务程序。在60行之后，依次定义了中断服务程序的入口地址。
 第140行：__Vectors_End 为向量表结束地址。
 第141行：__Vectors_Size则是向量表的大小，向量表的大小是通过__Vectors 和__Vectors_End 相减得到的。

复位程序

 复位程序是系统上电后执行的第一个程序，复位程序也是中断程序，只是这个程序比较特殊，因此单独提出来讲解。

 第147行：定义了一个服务程序，PROC表示程序的开始。
 第148行：使用EXPORT将Reset_Handler申明为可被外部引用，后面WEAK表示弱定义，如果外部文件定义了该标号则首先引用该标 号，如 果外部文件没有声明也不会出错。这里表示复位程序可以由用户在其他文件重新实现，这种写法在HAL库中是很常见的。
 第149-150行：表示该标号来自外部文件，SystemInit()是一个库函数，在system_stm32f1xx.c中定义的，__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，这个是由编译器完成的，该函数最终会调用我们自己写的main函数，从而进入C世界中。
 第151行：这是一条汇编指令，表示从存储器中加载SystemInit到一个寄存器R0的地址中。
 第152行：汇编指令，表示跳转到寄存器R0的地址，并根据寄存器的 LSE 确定处理器的状态，还要把跳转前的下条指令地址保存到 LR。
 第153行：和149行是一个意思，表示从存储器中加载__main到一个寄存器R0的地址中。
 第154行：和150稍微不同，这里跳转到至指定寄存器的地址后，不会返回。
 第155行：和PROC是对应的，表示程序的结束。

中断服务程序

 我们平时要使用哪个中断，就需要编写相应的中断服务程序，只是启动文件把这些函数留出来了，但是内容都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置罢了。

 这部分没啥好说的，和服务程序类似的，只需要注意‘B .’语句，B表示跳转，这里跳转到一个‘.’，即表示无限循环，如果在调试代码的过程中发现代码卡死到这个B的位置上，那就说名你的代码开启了某个中断，但是你没有对中断进行处理，就会出现这中情况。

堆栈初始化

 堆栈初始化是由一个IF条件来实现的，MICROLIB的定义与否决定了堆栈的初始化方式。这个定义是在Options->Target中设置的。


 如果没有定义__MICROLIB ， 则会使用双段存储器模式，且声明了__user_initial_stackheap 具有全局属性，这需要开发者自己来初始化堆栈。

总结一下STM32从Flash的启动流程

1，上电之后先去0x0000 0000地址加载SP指针从地址0x0000 0004加载PC指针，如果是BOOT0引脚为低电平，则指向Flash处执行程序
2，从Flash处也就是0x0800 0000加载栈顶指针SP，从0x0800 0004处加载中断向量表的起始地址PC，也就是复位程序的地址
3，执行复位程序，先执行SystemInit()函数初始化系统时钟，然后执行main()函数