单片机的启动

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-10-22 13:57 177阅读 0赞

### 目录 ###

*  概述
 *  51系
 *  ARM
 *   *  STM32F4上电

# 概述 #

MCU整体工作流程可总结如下：上电——>主时钟起振——>启动代码——>用户程序(main函数)。对于我们应用开发来说，大部分工作重点是在应用程序编写这块。特别是高级MCU的出现，如ARM系列的STM32、LPC等32位MCU，以及芯片原厂的完善底层代码，启动代码已经固化在芯片内部flash（称为BootLoader），或者已经提供完整的汇编启动源码。因此，启动过程这块，我们比较陌生，但基本的原理还需了解，不排除面试或者使用到实时系统（RTOS）时需要修改启动汇编代码。  
  MCU上电（复位）时，从固定的地址启动，一般是地址0x00000000，如ARM7；个别特殊的如STM32默认启动地址为0x8000000（flash区启动）。启动过程主要完成两部分工作，一个是硬件执行环境，如中断向量表、寄存器、看门狗等，另一个是软件环境，如C库环境、ZI（未初始化的内存变量）等。

一. 硬件环境工作

初始时钟  
  初始化内核时钟，主时钟，各个外设的时钟。

关闭看门狗  
  看门狗是用来监控应用程序的异常跑飞而复位CPU，在初始化阶段，由于没有“喂狗”这一动作，有可能导致CPU不断复位，因此，首先会关闭看门狗，初始化完，再开启。

建立中断向量表  
  中断向量表，中断源的识别标志，可用来形成相应的中断服务程序的入口地址，或者中断服务程序入口地址的偏移量和段基值。CPU利用中断向量表转入中断服务程序处理相关事务。

初始化堆栈寄存器  
  堆栈的作用一个就是保存现场（上下文），如函数调用或者中断发送时，将当前执行地址压栈，调用完成再返回此处执行程序。另一个作用就是保存参数，如临时变量。因此，在启动阶段需初始化堆栈寄存器、堆栈的大小、起始地址等。

内存初始化  
  选择内部或者外部RAM。

二.软件环境工作  
1.把RO，RW从它们的加载域复制到它们的运行域中去。

2.初始化（清零）ZI域。

3.初始化堆栈指针

4.初始化C库环境  
  包括C库所需的内存空间、程序执行所需资源、C库初始化。

三. Cortex M3启动  
CortexM3有3种启动方式  
1、 BOOT1=1 BOOT0=1  
中断向量表定位于SRAM区，即起始地址为0x2000000，同时复位后PC指针位于0x2000000处。  
2、 BOOT1=x BOOT0=0  
中断向量表定位于FLASH区，即起始地址为0x8000000，同时复位后PC指针位于0x8000000处。  
3、 BOOT1=0 BOOT0=1  
中断向量表定位于内置Bootloader区，此时可通过串口下载程序的二进制文件到flash区。

而Cortex-M3内核规定，起始地址必须存放堆顶指针，而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址，这样在Cortex-M3内核复位后，会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量，跳转执行复位中断服务程序。对比ARM7/ARM9内核，Cortex-M3内核则是固定了中断向量表的位置而起始地址是可变化的。即是对于flash启动来说（正常工作也是flash启动），0x8000000地址存放的是栈顶地址\_\_initial\_sp，0x8000004地址存放的是复位中断向量Reset\_Handler入口地址（STM32使用32位总线，存储空间为4字节对齐）；在编写多段程序时，偏移地址空间需注意，如编写一个BootLoader，从BootLoader到应用程序段的相互跳转。

# 51系 #

https://mp.weixin.qq.com/s/EuXIECgKUBM45c2-7dpscw

大学里第一开始接触到的单片机也许就是51单片机，但是有多少人还记得51单片机的启动流程。

MSC-51单片机的总结结构是冯诺依曼结构，指令和数据总线分开编址。传统的51单片机片内RAM:128字节，ROM:4K;两个16位的定时器；1个全双工的串口；8位CPU;32个I/O口(P0-P3)，其中P0口是开漏输出，做输出脚时需要接上拉电阻10k。

上电的时候，cpu指向0000H的位置，一般在000H放置一条跳转指令，跳转指令调至main函数的入口，外部中断0的服务入口地址为0003H,定时器0中断服务入口地址为：000BH；外部中断1的服务入口地址为0013H,定时器1中断服务入口地址为：001BH；串口中断服务入口地址位0023H.定时器2中断入口地址位：002BH

下面是一个52的汇编程序，程序的开头是一个伪指令ORG，接着就一个跳转指令跳转到主程序的指令AJMP.然后就是中断服务函数的入口出口的定义.

ORG    0000H     ;程序执行开始地址
    AJMP   START     ;跳至START执行
    ORG    0003H     ;外部中断0中断入口地址
    RETI             ;中断返回（不开中断）
    ORG    000BH     ;定时器T0中断入口地址
    RETI             ;中断返回（不开中断）
    ORG    0013H     ;外部中断1中断入口地址
    RETI             ;中断返回（不开中断）
    ORG    001BH     ;定时器T1中断入口地址
    LJMP   INTT1     ;跳至INTT1中断服务程序
    ORG    0023H     ;串行口中断入口地址
    RETI             ;中断返回（不开中断）
    ORG    002BH     ;定时器T2中断入口地址
    RETI             ;中断返回（不开中断）
    
    START:         LCALL CLEARMEMIO  ;调用初始化子程序
    
    MAIN:          LCALL KEYWORK  ;主程序
    		LJMP   MAIN           ;转MAIN循环
    		NOP                   ;PC值出错处理
    		NOP
    		NOP
    		LJMP   START          ;重新初始化

# ARM #

启动代码通常都烧写在flash中，它是系统一上电就执行的一段程序，它运行在任何用户c代码之前。上电后，arm处理器处于arm态，运行于管理模式，同时系统所有中断被禁止，pc到地址0处取指令执行。一个可执行映像文件必须有个入口点，而能放在rom起始处的映像文件的入口地址也必须设置为0。

在汇编语言中，我们已经说过怎样定义一个程序的入口点，当工程中有多个入口点时，需要在连接器中使用-entry指出程序的入口点。如果用户创建的程序中，包含了main函数，则与c库初始化代码对应的也会有个入口点。

总的来说，启动代码主要完成两方面的工作，一是初始化执行环境，例如中断向量表、堆栈、i/o等；二是初始化c库和用户应用程序。

在第一阶段，启动代码的人物可以描述为：

*  （1）建立中断向量表；
 *  （2）初始化存储器；
 *  （3）初始化堆栈寄存器；
 *  （4）初始化i/o以及其他必要的设备；
 *  （5）根据需要改变处理器的状态。

**建立中断向量表**

初始化代码必须建立好中断向量表，以备应用程序后续使用。如果系统的地址0处是rom，则中断向量表直接是一些跳转指令就可以了，他们转到相应的中断处理函数执行。如果系统的0地址处不是rom，则中断向量表是通过动态的方式创建的，这主要是通过存储器映射的方式来实现：即上电后，rom中的地址被映射到地址0，它首先开始执行以便完成环境的初始化，最重要的它会将中断向量表拷贝到ram中，然后通过地址映射将ram地址映射为0，这样ram中的中断向量就可以使用了。

**初始化存储系统**

对于有mmu的处理器，需要正确初始化mmu，没有的只需正确初始化存储控制器，为每个bank配置正确的参数就可以了。

**初始化堆栈指针**

初始化代码必须初始化处理器各个模式下的堆栈指针，所有系统或用户程序会涉及的处理器模式对应的堆栈指针都应该初始化。通常未定义指令和预取指终止异常对应模式的堆栈指针不需要配置，除非用户需要使用它们作为调试使用。

**初始化堆栈指针**

初始化代码必须初始化处理器各种模式下的堆栈指针，所有系统或用户程序会涉及的处理器模式对应的堆栈指针都应该被初始化。通常未定义指令和预取指终止异常对应模式的堆栈指针不需要配置，除非用户需要使用它们作为调试使用。

**初始化i/o以及其他必要设备**

关键的输入输出模块必须在中断打开之前被配置，例如看门狗，否则它们会在系统启动后产生复位信号。

**改变处理器状态和模式**

启动代码运行时，处理器状态认为管理模式，如果用户程序需要运行在用户模式，可以切换转入用户模式；所有处理器上电后是处于arm状态的，如果需要改变处理器状态，也可以在启动代码里切换到thumb态。

在执行环境建立起来后，接下来就是应用程序的初始化，简单点就是讲用户程序加载到他们相应的运行地址，初始化数据区等，这个阶段完成后，才能进入用户最终的c代码区域。用户应用程序的初始化过程包括：将rw段的数据拷贝到他们的运行地址处，同时在rw段后面初始化相应大小的zi段数据，把他们初始化为0，使用了库函数的程序(工程中有main函数)是在库函数\_main中自动完成这些工作的。

## STM32F4上电 ##

https://mp.weixin.qq.com/s/a7wV78NZLS81TCKpMQiQiw

对于熟悉电脑的伙伴们来说，BIOS（那个蓝色的界面）可能不会太陌生吧，这货就是电脑的启动代码。没有BIOS的电脑，那注定是一块板砖！BIOS主要是做一些开机前的准备工作，例如系统时间设定、启动顺序。。。扯远了！

其实电脑本身就是从单片机而来，那么单片机也是有启动代码的，只是我们绝大部分情况不去关心它。

启动代码究竟都干了些什么工作，为何需要它？想想你在c语言中用到了什么东西，而这些东西却是拿来就可以用的？堆、栈！没错，就是他们。我们知道堆和栈是内存中划分出的一块区域，那为什么我们没有亲自划分呢，因为启动代码帮了你的忙！！！再想想单片机工作的时候，有哪些配置被我们忽略了，而它却可以用？时钟，就是这货，我们可以不配置时钟，而你发现它竟然有默认值！还是启动代码帮了你！

接下来仔细研究一下STM32的启动代码，首先要知道启动代码藏在哪里：一个叫做startup的汇编文件。启动代码是对硬件的一个最初级的配置，它必须用汇编语言来实现，汇编是真正的硬件编程语言。

从上到下解读启动代码：

startup\_stm32f103xe.s

1、定义栈大小

; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
    ; Tailor this value to your application needs
    ; <h> Stack Configuration
    ;   <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
    ; </h>
    
    Stack_Size      EQU     0x00000400
    
                    AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
    Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
    __initial_sp

2、定义堆大小

; <h> Heap Configuration
    ;   <o>  Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
    ; </h>
    
    Heap_Size       EQU     0x00000200
    
                    AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
    __heap_base
    Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
    __heap_limit

3、中断向量地址

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                    AREA    RESET, DATA, READONLY
                    EXPORT  __Vectors
                    EXPORT  __Vectors_End
                    EXPORT  __Vectors_Size
    
    __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                    DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                    DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                    DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                    DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                    DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                    DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                    DCD     0                          ; Reserved
                    DCD     0                          ; Reserved
                    DCD     0                          ; Reserved
                    DCD     0                          ; Reserved
                    DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                    DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                    DCD     0                          ; Reserved
                    DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                    DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

ps：Cortex-M4内核要求内存的第一个地址是栈指针，第二个地址开始为中断向量。而中断向量的第一个必须是复位，因为代码是从上到下执行，开机首先遇到的就是复位。

4、复位中断处理函数

; Reset handler
    Reset_Handler    PROC
                     EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
            IMPORT  SystemInit
            IMPORT  __main
    
                     LDR     R0, =SystemInit
                     BLX     R0
                     LDR     R0, =__main
                     BX      R0
                     ENDP

ps1：仔细那看有两个东西需要注意：“SystemInit”这个是时钟初始，“\_\_main”这一句代表跳转到“main”函数。正因为复位这样的写法，所以程序都是从main函数开始执行的。

ps2：“SystemInit”具体实现过程在stm32fxxx.c，“\_\_main”也是在某个地方与真正的main关联起来。

5、其他中断处理函数

Default_Handler PROC
    
                    EXPORT  WWDG_IRQHandler                   [WEAK]                                        
                    EXPORT  PVD_IRQHandler                    [WEAK]                      
                    EXPORT  TAMP_STAMP_IRQHandler             [WEAK]         
                    EXPORT  RTC_WKUP_IRQHandler               [WEAK]                     
                    EXPORT  FLASH_IRQHandler                  [WEAK]                                         
                    EXPORT  RCC_IRQHandler                    [WEAK]                                            
                    EXPORT  EXTI0_IRQHandler                  [WEAK]                                            
                    EXPORT  EXTI1_IRQHandler                  [WEAK]                                             
                    EXPORT  EXTI2_IRQHandler                  [WEAK]                                            
                    EXPORT  EXTI3_IRQHandler                  [WEAK]                                           
                    EXPORT  EXTI4_IRQHandler                  [WEAK]                                            
                    EXPORT  DMA1_Stream0_IRQHandler           [WEAK]                                
                    EXPORT  DMA1_Stream1_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  DMA1_Stream2_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  DMA1_Stream3_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  DMA1_Stream4_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  DMA1_Stream5_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  DMA1_Stream6_IRQHandler           [WEAK]                                   
                    EXPORT  ADC_IRQHandler                    [WEAK]                         
                    EXPORT  CAN1_TX_IRQHandler                [WEAK]                                                
                    EXPORT  CAN1_RX0_IRQHandler               [WEAK]                                               
                    EXPORT  CAN1_RX1_IRQHandler               [WEAK]

ps1：绝大部分中断的实现系统没有给出，等待程序员去写。但是中断的名字我们都可以看到的，每一个名字都和上面向量表中对应着。我们知道函数名其实就是一个地址，而中断的入口地址是固定的，只要找对名字，那地址也就找对了。

ps2：中断的入口地址由内核和芯片决定，无法更改。因此不要改启动代码中的中断向量表

6、初始化堆、栈

;*******************************************************************************
    ; User Stack and Heap initialization
    ;*******************************************************************************
                     IF      :DEF:__MICROLIB
                    
                     EXPORT  __initial_sp
                     EXPORT  __heap_base
                     EXPORT  __heap_limit
                    
                     ELSE
                    
                     IMPORT  __use_two_region_memory
                     EXPORT  __user_initial_stackheap
                     
    __user_initial_stackheap
    
                     LDR     R0, =  Heap_Mem
                     LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
                     LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
                     LDR     R3, = Stack_Mem
                     BX      LR
    
                     ALIGN
    
                     ENDIF
    
                     END

ps：正因为堆和栈已经被初始化，所以你的C语言才可以顺利的执行。

启动代码是非常关键的，所有的CPU都有启动代码。这里完成了最基本的初始化功能，尤其是中断向量表，程序员每一个中断函数的名字都要与启动代码中的向量表对应，否则中断是无法进入的。