代码收藏家技术教程 2025-02-16

stm32启动文件详解

STM32的启动文件了解：
一、启动文件由汇编编写，是系统上电复位后第一个执行的程序。步骤分为以下五步：
1、初始化堆栈指针 SP = _initial_sp ；
2、初始化 PC指针 = Reset_Handler ；
3、初始化中断向量表；
4、配置系统时钟；
5、调用 C库函数_main 初始化用户堆栈，从而最终调用 main 函数去到 C的世界；
二、详细拆分如上五个步骤：
1、堆栈的基础概念
1）、在计算机系统中，堆栈是一种后进先出的数据结构（LIFO)的数据结构，用于存局部变量、函数调用时的返回地址、寄存器的值等。栈指针（SP)始终指向栈顶，在进行压栈（PUSH)和出栈（POP)操作时，SP的值会相应地改变。
2）、堆栈空间分配，在启动文件中，首先分配一定的内存空间如下：
; 定义栈的大小
Stack_Size EQU 0x00000400

               AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
			Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
            __initial_sp

说明：
Stack_Size：使用 EQU 伪指令定义了栈的大小，这里为 0x00000400 字节（即 1024 字节）。
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3：定义了一个名为 STACK 的存储区，NOINIT 表示该存储区不需要初始化，READWRITE 表示该存储区是可读写的，ALIGN=3 表示该存储区按 8 字节（2^3）对齐。
Stack_Mem SPACE Stack_Size：为栈分配 Stack_Size 字节的内存空间。
__initial_sp：标记栈顶地址，它位于栈空间的末尾
3）、向量表中栈顶地址的存储，在STM32的启动文件中，向量表的第一个条目就是栈顶地址，如下：

DCD是双字（32位）数据定义伪指令，DCD __initial_sp将栈顶地址存储在向量表的第一个位置。如此第二个位置为复位向量、第三个为NMI处理程序、第四个为硬件故障处理程序、、、
4）、初始化栈指针，在复位处理程序（Reset_Handler)中，会将栈指针（SP)初始化为向量表中存储的栈顶地址。
5）、初始化栈指针的意义，初始化栈指针的意义在于为后续的函数调用、局部变量的存储等操作提供一个正确的内存区域。在函数调用时，会将返回地址、寄存器的值等压入栈中，而这些操作都是基于栈指针进行的。如果栈指针没有正确初始化，那么在函数调用时就会出现栈溢出、数据混乱等问题，导致程序崩溃。
综上所述，在 STM32 启动文件中，通过为堆栈分配内存空间、将栈顶地址存储在向量表中，并在复位处理程序中加载栈顶地址到栈指针，完成了栈指针的初始化，确保了程序的正常运行

2、PC指针（程序计数器）是初始化的一个关键步骤，它决定了系统复位后从哪里开始执行代码。
1）、PC指针是一个特殊的寄存器，它存储着下一条要执行的指令地址。在程序运行过程中，CPU会根据PC指针的值从内存中取出指令并执行，然后自动更新PC指针指向下一条指令地址（记住，PC保存的永远是下一条要被执行的指令的地址，CPU从PC找到要执行指令的地址，去取读取指令）
2）、在向量表中确定初始PC值，在STM32的启动流程里，系统复位后会从向量表中获取初始的PC值。向量表是一段固定的地址的存储区域，它包含了一系列中断服务程序和异常处理程序的入口地址，其中第二个条目就是复位向量，也就是系统复位后PC指针要指向的初始地址。当系统复位后，硬件会自动将这个地址加载到PC指针中，从而让CPU从Reset_Handler这个位置开始执行代码。
3）、硬件自动加载PC值，当STM32芯片发生复位后（如上电复位、外部复位等）时，硬件会自动完成PC指针的初始化工作，具体流程如下；
a、系统复位信号触发后，CPU首先会从固定的地址（向量表的起始地址）读取栈顶地址，并i将其加载到栈指针（SP）中。
b、接着，CPU会从向量表的第二个条目中读取复位向量（也就是PC值），并将其加载到PC指针中。
c、之后，CPU就会从PC指针所指向的地址（即Reset_Handler函数）开始执行代码。
4）、Reset_Handler函数，是系统复位后执行的第一段代码，它通常会完成一系列的初始化操作，如系统时钟初始化、栈指针设置等，然后跳转到用户的主程序入口。
3、中断向量表，中断向量表是存储中断服务程序（ISR）日后地址的表格，位于内存特定区域。当发生中断时，CPU通过该表快速定位到相应ISR执行。
1）、初始化步骤：
a、分配内存：在启动文件里为向量表分配一块只读存储区，使用汇编指令实现。
AREA RESET, DATA, READONLY
b、定位表项：按固定顺序依次定义各中断对应的入口地址。首个是栈顶地址，用于初始化栈指针；第二个是复位向量，指向复位后执行的代码起始处；后续为不同中断服务程序的入口。
__Vectors
DCD __initial_sp ; 栈顶地址
DCD Reset_Handler ; 复位向量
DCD NMI_Handler ; 不可屏蔽中断处理程序入口
; 其他中断向量表项…
c、计算大小：明确向量表的结束位置，并计算其大小，方便后续使用
__Vectors_End
__Vectors_Size EQU __Vectors_End – __Vectors
硬件相应：系统复位时，硬件自动从向量表加载栈顶地址到栈指针（SP)，加载复位向量到程序计数器（PC），让程序从指定的位置开始执行。发生中断时，硬件依据中断号从向量表找到对应ISR入口，跳转执行。

**4、STM32的系统时钟复杂且灵活，它为芯片的各个外设和内核提供不同频率的时钟信号。主要的时钟源有内部RC振荡器（HSI、LSI)和外部晶振（HES、LSE），可以通过PLL（锁相环）对时钟进行倍频等操作，以满足不同外设对时钟频率的需求。**
1）、首先是能所选时钟源，一般选择外部高速晶振（HSE）作为时钟源
// 使能HSE
RCC->CR |= RCC_CR_HSEON; 
// 等待HSE就绪
while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY)); 
2）、配置PLL（可选），若需要更高的时钟频率，可以使用PLL对时钟源进行倍频。这涉及到设置PLL的输入时钟源、倍频系数等参数。
			// 配置PLL，例如设置PLL源为HSE，倍频系数为9
			RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSE; 
			RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9; 
			// 使能PLL
			RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; 
			// 等待PLL就绪
			while (!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));

3）、配置AHB、APB总线分频系数，根据外设的需求，合理配置AHB（高级高性能总线）和APB（高级外设总线）的分频系数，以提供合适的时钟频率给外设。
// 设置AHB不分频
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1;
// 设置APB1二分频，APB2不分频
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV1;
4）、选择系统时钟源，最后将配置好的时钟源（如PLL输出）选择为系统时钟
// 选择PLL作为系统时钟源
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;
// 等待系统时钟源切换完成
while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL);
5、在进入 __main 之前，启动文件（通常是汇编代码）会完成一些基础工作：
1）、向量表初始化：定义并设置中断向量表，包含栈顶地址、复位向量等信息。系统复位后，硬件会从向量表中读取栈顶地址初始化栈指针（SP），读取复位向量设置程序计数器（PC），使程序跳转到复位处理函数执行。
2）、栈和堆空间分配：为栈和堆分配内存空间，栈用于函数调用、局部变量存储等，堆用于动态内存分配。
复位处理函数跳转至 __main
复位处理函数（如 Reset_Handler）是系统复位后执行的第一段代码，它会完成一些必要的初始化，然后调用 __main 函数，示例代码如下
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
IMPORT SystemInit

            LDR     R0, =__initial_sp         ; 加载栈顶地址到 R0
            MOV     SP, R0                    ; 设置栈指针

            BL      SystemInit                 ; 调用系统时钟初始化函数
            BL      __main
            ENDP
   先设置栈指针，确保后续操作有正确的栈空间。
	调用 SystemInit 函数进行系统时钟等初始化。
	通过 BL __main 指令跳转到 __main 函数执行。

__main 函数的作用
__main 函数一般由编译器提供，它主要完成以下关键任务：
3）、用户堆栈初始化：虽然启动文件中已初步设置栈指针，但 __main 可能会进行更细致的堆栈初始化工作，比如确保栈空间布局符合 C 语言运行时要求，为局部变量和函数调用做好准备。
4）、全局变量和静态变量初始化：将全局变量和静态变量初始化为指定的值。对于已经赋初值的全局和静态变量，从程序的只读数据段（RO-data）复制到对应的可读写数据段（RW-data）；对于未赋初值的全局和静态变量，将其所在的 BSS 段清零。
5）、调用构造函数（针对 C++）：如果使用 C++ 编程，__main 会调用全局对象和静态对象的构造函数，确保这些对象在 main 函数执行前正确初始化。
6）、调用 main 函数：完成上述初始化工作后，__main 会调用用户编写的 main 函数，使程序进入 C 语言代码的执行流程。
进入 main 函数
当 __main 完成所有初始化工作后，调用 main 函数，程序开始执行用户编写的 C 语言代码，示例如下：
int main(void)
{
// 用户代码逻辑
while (1)
{
// 主循环
}
}
综上所述，通过启动文件的前期准备、复位处理函数跳转、__main 函数的初始化工作，最终顺利调用 main 函数，使程序进入 C 语言的执行环境。