開(kāi)發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開(kāi)發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

對(duì)于我們常用的桌面操作系統(tǒng)而言，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)，并不關(guān)心系統(tǒng)的初始化，絕大多數(shù)應(yīng)用程序是在操作系統(tǒng)運(yùn)行后才開(kāi)始運(yùn)行的，操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了一個(gè)合適的運(yùn)行環(huán)境，然而對(duì)于嵌入式設(shè)備而言，在設(shè)備上電后，所有的一切都需要由開(kāi)發(fā)者來(lái)設(shè)置，這里處理器是沒(méi)有堆棧，沒(méi)有中斷，更沒(méi)有外圍設(shè)備，這些工作是需要軟件來(lái)指定的，而且不同的CPU類(lèi)型、不同大小的內(nèi)存和不同種類(lèi)的外設(shè)，其初始化工作都是不同的。本文將以GD32F207IK (基于Cortex-M3)為例進(jìn)行講解。

在開(kāi)始正式講解之前，你需要了解ARM寄存器、匯編以及反編譯相關(guān)的知識(shí)，這些可以參考筆者博文。

深入理解ARM寄存器：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/117866186

ARM匯編入門(mén)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/117897496

Keil反編譯入門(mén)(一)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118314875

Keil反編譯入門(mén)(二)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118400368

下面我們就來(lái)具體看一下用戶(hù)從Flash啟動(dòng)GD32的過(guò)程，主要講解從上電復(fù)位到main函數(shù)的過(guò)程。主要有以下步驟：

1.初始化堆棧指針 SP=_initial_sp，初始化 PC 指針=Reset_Handler

2.初始化中斷向量表

3.配置系統(tǒng)時(shí)鐘

4.調(diào)用 C 庫(kù)函數(shù)_main 初始化用戶(hù)堆棧，然后進(jìn)入 main 函數(shù)。

在開(kāi)始講解之前，我們需要了解GD32的啟動(dòng)模式。

1 GD32的啟動(dòng)模式

首先要講一下GD32的啟動(dòng)模式，因?yàn)閱?dòng)模式?jīng)Q定了向量表的位置，GD32有三種啟動(dòng)模式：

1)主閃存存儲(chǔ)器(Main Flash)啟動(dòng)：從GD32內(nèi)置的Flash啟動(dòng)(0x0800 0000-0x0807 FFFF)，一般我們使用JTAG或者SWD模式下載程序時(shí)，就是下載到這個(gè)里面，重啟后也直接從這啟動(dòng)程序。以0x08000000 對(duì)應(yīng)的內(nèi)存為例，則該塊內(nèi)存既可以通過(guò)0x00000000 操作也可以通過(guò)0x08000000 操作，且都是操作的同一塊內(nèi)存。

2)系統(tǒng)存儲(chǔ)器(System Memory)啟動(dòng)：從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF)，這種模式啟動(dòng)的程序功能是由廠家設(shè)置的。一般來(lái)說(shuō)，我們選用這種啟動(dòng)模式時(shí)，是為了從串口下載程序，因?yàn)樵趶S家提供的ISP程序中，提供了串口下載程序的固件，可以通過(guò)這個(gè)ISP程序?qū)⒂脩?hù)程序下載到系統(tǒng)的Flash中。以0x1FFFFFF0對(duì)應(yīng)的內(nèi)存為例，則該塊內(nèi)存既可以通過(guò)0x00000000 操作也可以通過(guò)0x1FFFFFF0操作，且都是操作的同一塊內(nèi)存。

3)片上SRAM啟動(dòng)：從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就沒(méi)有程序存儲(chǔ)的能力了，這個(gè)模式一般用于程序調(diào)試。SRAM 只能通過(guò)0x20000000進(jìn)行操作，與上述兩者不同。從SRAM 啟動(dòng)時(shí)，需要在應(yīng)用程序初始化代碼中重新設(shè)置向量表的位置。

用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置BOOT0和BOOT1的引腳電平狀態(tài)，來(lái)選擇復(fù)位后的啟動(dòng)模式。如下圖所示：

啟動(dòng)模式只決定程序燒錄的位置 ，加載完程序之后會(huì)有一個(gè)重映射(映射到0x00000000地址位置)；真正產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的時(shí)候，CPU還是從開(kāi)始位置執(zhí)行。

值得注意的是GD32上電復(fù)位以后，代碼區(qū)都是從0x00000000開(kāi)始的，三種啟動(dòng)模式只是將各自存儲(chǔ)空間的地址映射到0x00000000中。

Bootloader 存放在系統(tǒng)(System)存儲(chǔ)內(nèi)，可以在 MCU 啟動(dòng)后對(duì) Flash 進(jìn)行再編程。在GD32F20x 系列產(chǎn)品中，Bootloader 通過(guò) USART0 與外界交互。

GD32F20x芯片支持嵌入式引導(dǎo)程序通過(guò)多種接口方式來(lái)更新Flash?？梢杂?或2個(gè)USART端口和標(biāo)準(zhǔn)USB端口用于GD32F205xx和GD32F207xx互聯(lián)型產(chǎn)品。如下表所示。

2 GD32的啟動(dòng)文件分析

因?yàn)閱?dòng)過(guò)程主要是由匯編完成的，因此GD32的啟動(dòng)的大部分內(nèi)容都是在啟動(dòng)文件里。筆者的啟動(dòng)文件是startup_gd32f20x_cl.s。

2.1堆棧定義

1. Stack棧

棧的作用是用于局部變量，函數(shù)調(diào)用，函數(shù)形參等的開(kāi)銷(xiāo)，棧的大小不能超過(guò)內(nèi)部SRAM 的大小。當(dāng)程序較大時(shí)，需要修改棧的大小，不然可能會(huì)出現(xiàn)的HardFault的錯(cuò)誤。

第43行：表示開(kāi)辟棧的大小為 0X00000400（1KB），EQU是偽指令，相當(dāng)于C 中的 define。

第45行：開(kāi)辟一段可讀可寫(xiě)數(shù)據(jù)空間，ARER 偽指令表示下面將開(kāi)始定義一個(gè)代碼段或者數(shù)據(jù)段。此處是定義數(shù)據(jù)段。ARER 后面的關(guān)鍵字表示這個(gè)段的屬性。段名為STACK，可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可讀可寫(xiě)，ALIGN=3，表示按照 8 字節(jié)對(duì)齊。

第46行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size連續(xù)內(nèi)存空間，單位為字節(jié)。

第47行： __initial_sp表示棧頂?shù)刂?。棧是由高向低生長(zhǎng)的。

2.Heap堆

堆主要用來(lái)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的分配，像 malloc()函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存就在堆中。

開(kāi)辟堆的大小為 0X00000200（512 字節(jié)），名字為 HEAP，NOINIT 即不初始化，可讀可寫(xiě)，8字節(jié)對(duì)齊。__heap_base 表示對(duì)的起始地址，__heap_limit 表示堆的結(jié)束地址。

2.2 向量表

向量表是一個(gè)WORD（ 32 位整數(shù)）數(shù)組，每個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)一種異常，該下標(biāo)元素的值則是該 ESR 的入口地址。向量表在地址空間中的位置是可以設(shè)置的，通過(guò) NVIC 中的一個(gè)重定位寄存器來(lái)指出向量表的地址。在復(fù)位后，該寄存器的值為 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）處必須包含一張向量表，用于初始時(shí)的異常分配。

值得注意的是這里有個(gè)另類(lèi)：0號(hào)類(lèi)型并不是什么入口地址，而是給出了復(fù)位后 MSP 的初值，后面會(huì)具體講解。

……

第66行：定義一塊代碼段，段名字是RESET，READONLY 表示只讀。

第67-69行：使用EXPORT將3個(gè)標(biāo)識(shí)符申明為可被外部引用，聲明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局屬性。這幾個(gè)變量在Keil分散加載時(shí)會(huì)用到。

第71行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 個(gè) 4 字節(jié)的空間。每行 DCD 都會(huì)生成一個(gè) 4 字節(jié)的二進(jìn)制代碼，中斷向量表 存放的實(shí)際上是中斷服務(wù)程序的入口地址。當(dāng)異常（也即是中斷事件）發(fā)生時(shí)，CPU 的中斷系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)的入口地址賦值給 PC 程序計(jì)數(shù)器，之后就開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在60行之后，依次定義了中斷服務(wù)程序的入口地址。

第179行：__Vectors_End 為向量表結(jié)束地址。

第181行：__Vectors_Size則是向量表的大小，向量表的大小是通過(guò)__Vectors 和__Vectors_End 相減得到的。

上述向量表可以在《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》中找到的，筆者這里只截取了部分。

筆者只截取了部分。

2.3 復(fù)位程序

復(fù)位程序是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個(gè)程序，復(fù)位程序也是中斷程序，只是這個(gè)程序比較特殊，因此單獨(dú)提出來(lái)講解。

第186行：定義了一個(gè)服務(wù)程序，PROC表示程序的開(kāi)始。

第187行：使用EXPORT將Reset_Handler申明為可被外部引用，后面WEAK表示弱定義，如果外部文件定義了該標(biāo)號(hào)則首先引用該標(biāo)號(hào)，如果外部文件沒(méi)有聲明也不會(huì)出錯(cuò)。這里表示復(fù)位程序可以由用戶(hù)在其他文件重新實(shí)現(xiàn)。

第188-189行：表示該標(biāo)號(hào)來(lái)自外部文件，SystemInit()是一個(gè)庫(kù)函數(shù)，在system_gd32f10x.c中定義的，__main 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 C 庫(kù)函數(shù)，主要作用是初始化用戶(hù)堆棧，這個(gè)是由編譯器完成的，該函數(shù)最終會(huì)調(diào)用我們自己寫(xiě)的main函數(shù)，從而進(jìn)入C世界中。

第190行：這是一條匯編指令，表示從存儲(chǔ)器中加載SystemInit到一個(gè)寄存器R0的地址中。R0~R3 寄存器通常用于函數(shù)入?yún)⒊鰠⒒蜃映绦蛘{(diào)用。

第191行：匯編指令，表示跳轉(zhuǎn)到寄存器R0的地址，并根據(jù)寄存器的 LSE 確定處理器的狀態(tài)，還要把跳轉(zhuǎn)前的下條指令地址保存到 LR。

第192行：和190行是一個(gè)意思，表示從存儲(chǔ)器中加載__main到一個(gè)寄存器R0的地址中。

第193行：和191稍微不同，這里跳轉(zhuǎn)到至指定寄存器的地址后，不會(huì)返回。

第194行：和PROC是對(duì)應(yīng)的，表示程序的結(jié)束。

值得注意的是，這里的__main和C語(yǔ)言中的main()不是一樣?xùn)|西，__main是C lib中的函數(shù)，也就是在Keil中自帶的；而main()函數(shù)是C的入口，main()會(huì)被__main調(diào)用。

2.4 中斷服務(wù)程序

我們平時(shí)要使用哪個(gè)中斷，就需要編寫(xiě)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，只是啟動(dòng)文件把這些函數(shù)留出來(lái)了，但是內(nèi)容都是空的，真正的中斷復(fù)服務(wù)程序需要我們?cè)谕獠康?C 文件里面重新實(shí)現(xiàn)，這里只是提前占了一個(gè)位置罷了。

這部分沒(méi)啥好說(shuō)的，和服務(wù)程序類(lèi)似的，只需要注意‘B .’語(yǔ)句，B表示跳轉(zhuǎn)，這里跳轉(zhuǎn)到一個(gè)‘.’，即表示無(wú)線循環(huán)。

2.5 堆棧初始化

堆棧初始化是由一個(gè)IF條件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，MICROLIB的定義與否決定了堆棧的初始化方式。

這個(gè)定義是在Options->Target中設(shè)置的。

如果沒(méi)有定義__MICROLIB ， 則會(huì)使用雙段存儲(chǔ)器模式，且聲明了__user_initial_stackheap 具有全局屬性，這需要開(kāi)發(fā)者自己來(lái)初始化堆棧。

這部分也沒(méi)啥講的，需要注意的是，ALIGN表示對(duì)指令或者數(shù)據(jù)存放的地址進(jìn)行對(duì)齊，缺省表示4字節(jié)對(duì)齊。

2.6 其他

第62行：PRESERVE8 用于指定當(dāng)前文件的堆棧按照 8 字節(jié)對(duì)齊。

第63行：THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令。現(xiàn)在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集，THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超集。

3 GD32的啟動(dòng)流程實(shí)例分析

有了前面的分析，接下來(lái)就來(lái)具體看看GD32啟動(dòng)流程的具體內(nèi)容。

3.1初始化SP、PC、向量表

當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，處理器首先讀取向量表中的前兩個(gè)字（8 個(gè)字節(jié)），第一個(gè)字存入 MSP，第二個(gè)字為復(fù)位向量，也就是程序執(zhí)行的起始地址。

這里通過(guò)J-Flash打開(kāi)hex文件。

硬件這時(shí)自動(dòng)從0x0800 0000位置處讀取數(shù)據(jù)賦給棧指針SP，然后自動(dòng)從0x0800 0004位置處讀取數(shù)據(jù)賦給PC，完成了復(fù)位操作，SP= 0x0200 2008，PC = 0x0800 01BD。

初始化SP、PC緊接著就初始化向量表，如果感覺(jué)看HEX文件抽象，我們看看反匯編文件吧。

是不是更容易些，是不是和《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》中的向量表對(duì)應(yīng)起來(lái)了。其實(shí)看反匯編文件更好理解GD32的啟動(dòng)流程，只是有些抽象。

生成反匯編的方法如下。

在KEIL的User選項(xiàng)中，如下圖添加這兩項(xiàng)：

fromelf --bin --output=GD32F207I_EVAL.bin ../Output/GD32F207I_EVAL.axf

fromelf --text -a -c --output=GD32F207I_EVAL.dis ../Output/GD32F207I_EVAL.axf

然后重新編譯，即可得到二進(jìn)制文件GD32F207I_EVAL.bin(以后會(huì)分析)、反匯編文件GD32F207I_EVAL.dis。

如下圖所示：

3.2 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘

細(xì)心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，PC=0x080001BD，這里表明MCU運(yùn)行的是THUMB模式，最低位為1表示為T(mén)HUMB狀態(tài)。然后在反匯編文件中卻是這樣的：

當(dāng)然也可通過(guò)硬件調(diào)試來(lái)確認(rèn)上面的分析：

接下來(lái)就會(huì)進(jìn)入SystemInit函數(shù)中。

SystemInit函數(shù)內(nèi)容如下：

/*!
    \\\\\\\\brief      setup the micro-controller system, initialize the system
    \\\\\\\\param[in]  none
    \\\\\\\\param[out] none
    \\\\\\\\retval     none
*/
void SystemInit(void)
{
    /* reset the RCC clock configuration to the default reset state */
    /* enable IRC8M */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_IRC8MEN;

    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* reset SCS, AHBPSC, APB1PSC, APB2PSC, ADCPSC, CKOUT0SEL bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_SCS | RCU_CFG0_AHBPSC | RCU_CFG0_APB1PSC | RCU_CFG0_APB2PSC |
                  RCU_CFG0_ADCPSC | RCU_CFG0_ADCPSC_2 | RCU_CFG0_CKOUT0SEL);

    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* Reset HXTALBPS bit */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALBPS);

    /* reset PLLSEL, PREDV0_LSB, PLLMF, USBFSPSC bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLMF |
                  RCU_CFG0_USBFSPSC | RCU_CFG0_PLLMF_4);

    /* reset PLL1EN and PLL2EN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_PLL1EN | RCU_CTL_PLL2EN);

    /* reset CFG1 register */
    RCU_CFG1 = 0x00000000U;

    /* reset INT register */
    RCU_INT = 0x00FF0000U;

    /* reset CFG2 register */
    RCU_CFG2 = 0x00000000U;

    /* reset PLLTCTL register */
    RCU_PLLTCTL &= (~RCU_PLLTCTL_PLLTEN);

    /* reset PLLTINT register */
    RCU_PLLTINT = 0x00400000U;

    /* reset PLLTCFG register */
    RCU_PLLTCFG = 0x20003010U;

    /* configure the system clock source, PLL multiplier, AHB/APBx prescalers and flash settings */
    system_clock_config();
}

前面部分是配置時(shí)鐘的，具體參考手冊(cè)吧。

/*!
    \\\\\\\\brief      configure the system clock to 120M by PLL which selects HXTAL(8M) as its clock source
    \\\\\\\\param[in]  none
    \\\\\\\\param[out] none
    \\\\\\\\retval     none
*/
static void system_clock_120m_hxtal(void)
{
    uint32_t timeout = 0U;
    uint32_t stab_flag = 0U;

    /* enable HXTAL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_HXTALEN;

    /* wait until HXTAL is stable or the startup time is longer than HXTAL_STARTUP_TIMEOUT */
    do {
        timeout++;
        stab_flag = (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB);
    } while((0U == stab_flag) && (HXTAL_STARTUP_TIMEOUT != timeout));

    /* if fail */
    if(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB)) {
        while(1) {
        }
    }

    /* HXTAL is stable */
    /* AHB = SYSCLK */
    RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
    /* APB2 = AHB/1 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;
    /* APB1 = AHB/2 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;

    /* CK_PLL = (CK_PREDIV0) * 10 = 120 MHz */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4 | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLSEL);
    RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_PLL_MUL10);

    /* CK_PREDIV0 = (CK_HXTAL) / 5 * 12 /5 = 12 MHz */
    RCU_CFG1 &= ~(RCU_CFG1_PREDV0SEL | RCU_CFG1_PLL1MF | RCU_CFG1_PREDV1 | RCU_CFG1_PREDV0);
    RCU_CFG1 |= (RCU_PREDV0SRC_CKPLL1 | RCU_PLL1_MUL12 | RCU_PREDV1_DIV5 | RCU_PREDV0_DIV5);

    /* enable PLL1 */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLL1EN;
    /* wait till PLL1 is ready */
    while((RCU_CTL & RCU_CTL_PLL1STB) == 0U) {
    }

    /* enable PLL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLLEN;

    /* wait until PLL is stable */
    while(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_PLLSTB)) {
    }

    /* select PLL as system clock */
    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    RCU_CFG0 |= RCU_CKSYSSRC_PLL;

    /* wait until PLL is selected as system clock */
    while(0U == (RCU_CFG0 & RCU_SCSS_PLL)) {
    }
}

3.3 初始化堆棧并進(jìn)入main

執(zhí)行指令LDR R0, =__main，然后就跳轉(zhuǎn)到__main程序段運(yùn)行，當(dāng)然這里指標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的__main函數(shù)。

這中間初始化了棧區(qū)。

這段代碼是個(gè)循環(huán)（BCC 0x080001e6），實(shí)際運(yùn)行時(shí)候循環(huán)了兩次。第一次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行（注意加載已初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段用的是同一個(gè)函數(shù)）；第二次運(yùn)行的時(shí)候，讀取“初始化棧的函數(shù)”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運(yùn)行。

最后就進(jìn)入C文件的main函數(shù)中，至此，啟動(dòng)過(guò)程到此結(jié)束。

最后，總結(jié)下GD32 從flash的啟動(dòng)流程。

MCU上電后從0x0800 0000處讀取棧頂?shù)刂凡⒈４?，然后?x0800 0004讀取中斷向量表的起始地址，這就是復(fù)位程序的入口地址，接著跳轉(zhuǎn)到復(fù)位程序入口處，初始向量表，然后設(shè)置時(shí)鐘，設(shè)置堆棧，最后跳轉(zhuǎn)到C空間的main函數(shù)，即進(jìn)入用戶(hù)程序。