STM32啟動(dòng)詳細(xì)流程分析

問題提出

大家不妨設(shè)想一下，cpu 的工作是什么，cpu 是沒有主觀意識的，它只會(huì)按照特定的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，用專業(yè)術(shù)語來說就是： 取指 -> 譯碼 -> 執(zhí)行 ，譯碼和執(zhí)行肯定是在 cpu 內(nèi)部進(jìn)行操作的，并且前提是已經(jīng)取到了指令。那現(xiàn)在問題來了，指令在哪？

cpu上電復(fù)位后執(zhí)行的第一步操作就是取指令

• 問題1：指令存儲(chǔ)在何處

我們在電腦上編寫的程序最終是要燒寫到芯片內(nèi)部的 FLASH中（此處特指STM32）。

• 問題2：如何將可執(zhí)行文件燒寫至 FLASH 上

STM32 的啟動(dòng)方式有很多種，從主存 FLASH 啟動(dòng)，從 system memory 啟動(dòng)，從 SRAM 中啟動(dòng)。

• 問題3：從 SRAM 中啟動(dòng)，為什么需要重新設(shè)置中斷向量表

接下來，我們將圍繞這三個(gè)問題進(jìn)行解答

猜想

既然 cpu 上電復(fù)位后第一步操作就是取指令，那么這個(gè)指令肯定是存儲(chǔ)在掉電不丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)上（rom、flash）。

• 猜想1：指令存儲(chǔ)在掉電不丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)上

我們最終生成的、cpu可以執(zhí)行的可執(zhí)行文件肯定是要通過某種外設(shè)將用戶程序燒寫到 FLASH 上，這一點(diǎn)肯定是毋庸置疑的，因?yàn)?cpu 與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時(shí)候是通過外設(shè)控制器來進(jìn)行的。

• 猜想2：通過某種外設(shè)將可執(zhí)行文件燒寫至 FLASH 上

STM32 的 FLASH 基地址為 0X0800 0000 ，SRAM 基地址為 0X2000 0000?？刹豢赡苁且?yàn)檫@兩個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的地址不同，所以才要重新設(shè)置中斷向量表。

因?yàn)槲覀兌贾溃?strong>中斷向量表的首地址就是程序的入口地址。

• 猜想3：可能與基地址有關(guān)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)前必備知識

1. XIP設(shè)備

eXecute In Place，即芯片內(nèi)執(zhí)行，指應(yīng)用程序可以直接在 flash 閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng) RAM中。在我們的印象里，應(yīng)用程序必須要從硬盤中加載到內(nèi)存當(dāng)中才可以被運(yùn)行，但實(shí)際上應(yīng)用程序是可以直接在flash 閃存運(yùn)行的，也就是說，cpu 可以直接從 flash 中取出指令。對于 STM32 而言，它是有 XIP 設(shè)備的。

STM32F1 內(nèi)存圖

如上圖所示，F(xiàn)LASH、SYSTEM MEMORY、OPTION BYTES 都是STM32內(nèi)部的XIP設(shè)備。

F1 內(nèi)存圖信息不是很全，再看下 F4 的內(nèi)存圖。

STM32F4內(nèi)存圖：

我們可以看到，不論是 F1 還是 F4，XIP 設(shè)備都屬于內(nèi)存圖中的 BLOCK0 區(qū)域內(nèi)。

這樣我們大概就知道了 STM32 內(nèi)部的 XIP 設(shè)備在 0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF 內(nèi)。

上述的內(nèi)存圖是通過映射的方式將芯片的框圖進(jìn)行映射得到的，也就是說，上述這幅圖是為了開發(fā)人員更好地面向芯片編程而抽象出來的一幅圖。我們先來看下面這副圖

STM32F1框圖：

STM32F4框圖：

對比兩幅框圖可以看出，F(xiàn)4 比 F1 復(fù)雜很多，特別體現(xiàn)在外設(shè)上，架構(gòu)還是差不多的。

紅色箭頭所指向的就是譯碼電路。

如果你學(xué)過微機(jī)原理，那么你肯定知道，外設(shè)是通過譯碼電路連接到地址總線上，每一個(gè)外設(shè)都有其相對應(yīng)的內(nèi)存范圍，當(dāng) cpu 發(fā)出的地址信息處于某一個(gè)外設(shè)的地址范圍內(nèi)，就選中了該外設(shè)，cpu就可以與該外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

一個(gè)外設(shè)對應(yīng)一個(gè)內(nèi)存范圍，那所有的外設(shè)結(jié)合起來，是不是就是對應(yīng)一張圖了。

2. STM32 啟動(dòng)配置

在 STM32F10xxx 里，可以通過 BOOT[1:0] 引腳選擇三種不同啟動(dòng)模式。

在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK 的第 4 個(gè)上升沿， BOOT 引腳的值將被鎖存。用戶可以通過設(shè)置 BOOT1 和 BOOT0 引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。

在啟動(dòng)延遲之后， CPU 從地址 0x0000 0000 獲取堆棧頂?shù)牡刂罚膯?dòng)存儲(chǔ)器的 0x0000 0004 指示的地址開始執(zhí)行代碼。(這里先不驗(yàn)證，在之后的博客中會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證，但你需要記住，后面用的上)

因?yàn)楣潭ǖ拇鎯?chǔ)器映像，代碼區(qū)始終從地址 0x0000 0000 開始(通過 ICode 和 DCode 總線訪問)，而數(shù)據(jù)區(qū)（SRAM）始終從地址 0x2000 0000 開始（通過系統(tǒng)總線訪問）。Cortex-M3 的 CPU 始終從 ICode 總線獲取復(fù)位向量，即啟動(dòng)僅適合于從代碼區(qū)開始（典型地從 Flash 啟動(dòng)）。STM32F10xxx 微控制器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特殊的機(jī)制，系統(tǒng)可以不僅僅從 Flash 存儲(chǔ)器或系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，還可以從內(nèi)置 SRAM 啟動(dòng)。

根據(jù)選定的啟動(dòng)模式，主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或 SRAM 可以按照以下方式訪問：

• 從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng) ：主閃存存儲(chǔ)器被映射到啟動(dòng)空間（0x00000000），但仍然能夠在它原有的地址（0x08000000）訪問它，即閃存存儲(chǔ)器的內(nèi)容可以在兩個(gè)地址區(qū)域訪問， 0x00000000 或 0x08000000。
• 從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng) ：系統(tǒng)存儲(chǔ)器被映射到啟動(dòng)空間（0x00000000），但仍然能夠在它原有的地址（互聯(lián)型產(chǎn)品原有地址為 0x1FFFB000 ，其它產(chǎn)品原有地址為 0x1FFFF000 ）訪問它。
• 從內(nèi)置 SRAM 啟動(dòng) ：只能在 0x20000000開始的地址區(qū)訪問 SRAM（當(dāng)從內(nèi)置 SRAM 啟動(dòng)，在應(yīng)用程序的初始化代碼中，必須使用 NVIC 的異常表和偏移寄存器，重新映射向量表到 SRAM 中）。

一般情況下都是從主閃存模式啟動(dòng)的，也就是用戶代碼被燒寫到 0x08000000 地址處。

內(nèi)嵌的自舉程序 （Bootloader）

內(nèi)嵌的自舉程序存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)，由 ST 在生產(chǎn)線上寫入，用于通過可用的串行接口對閃存存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程，也就是這個(gè)自舉程序在出廠的時(shí)候就已經(jīng)固化了。大家可以想一下內(nèi)嵌的自舉程序的作用是什么？想不出來也沒關(guān)系，后面會(huì)講到。

如果想要詳細(xì)了解這個(gè)自舉程序到底干了什么，可以看下官方文檔：

STM32 microcontroller system memory boot mode

3. 可執(zhí)行文件的形成過程

STM32 | hex文件、bin文件、axf文件的區(qū)別？

大家可以看下這篇博文，寫的還是挺不錯(cuò)的！描述了最終燒寫到STM32中的可執(zhí)行代碼的形成過程。

4. 三種復(fù)位

• 硬件復(fù)位

顧名思義通過硬件給系統(tǒng)一個(gè)復(fù)位，比如在電路板上設(shè)計(jì)一復(fù)位電路，通過按下按鍵就可以給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)位，而無論系統(tǒng)在執(zhí)行什么樣的程序。復(fù)位后初始化一些配置芯片，硬件復(fù)位的作用區(qū)域一般是全局的。

• 軟件復(fù)位

是通過軟件給系統(tǒng)一個(gè)復(fù)位信號,如低電平或許是高電平(具體看系統(tǒng)設(shè)置)來實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作軟件復(fù)位一般是一些塊結(jié)構(gòu)復(fù)位。

• 上電復(fù)位

系統(tǒng)在上電的瞬間就執(zhí)行復(fù)位操作, 上電復(fù)位里面包括硬件復(fù)位和軟復(fù)位的操作，硬件復(fù)位和軟復(fù)位是從上電復(fù)位里面的某點(diǎn)開始的啟動(dòng)操作。

復(fù)位需要初始化CPU系統(tǒng)，包括CPU和內(nèi)存等。

驗(yàn)證猜想

1. 驗(yàn)證猜想-1

對于猜想1，其實(shí)不需要驗(yàn)證。代碼肯定是要存儲(chǔ)在掉電不丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)上，否則，每次重新上電都要重新燒寫程序，這是與事實(shí)相反的。而在實(shí)驗(yàn)前必備知識中，我們了解到 STM32 內(nèi)部的 XIP 設(shè)備，那不就是代碼存儲(chǔ)的地方嗎？并且也在 STM32 啟動(dòng)方式中詳細(xì)地描述了代碼存儲(chǔ)位置。

• 如果從主FLASH啟動(dòng)，用戶代碼存儲(chǔ)在0X 0800 0000
• 如果從 SYSTEM MEMORY 啟動(dòng)，里面存儲(chǔ)的是 Bootloader，是芯片出廠的時(shí)候就已經(jīng)固化好了的，可以從中讀數(shù)據(jù),但是不可以向其中寫數(shù)據(jù)，它的作用就是：將用戶程序通過可用的外設(shè)燒寫到指定的地址處，然后啟動(dòng) STM32。
• 如果從 SRAM 啟動(dòng)，用戶代碼存儲(chǔ)在 0X2000 0000

2. 驗(yàn)證猜想-2

實(shí)驗(yàn)前的必備知識中已經(jīng)大概地描述了最終燒寫到 STM32 中的可執(zhí)行文件的形成過程，現(xiàn)在我們需要驗(yàn)證的就是如何將可執(zhí)行文件燒寫到指定的存儲(chǔ)設(shè)備中去（假設(shè)是 FLASH，其實(shí)也可以是 SRAM）

我第一次使用 Flymcu（串口下載軟件的時(shí)候），我腦海里就有一個(gè)疑問，就是這個(gè)軟件到底是怎樣使得 STM32 將生成的代碼燒寫到內(nèi)部 FLASH 上的。這真的是很不可思議！因?yàn)?STM32 上電復(fù)位后肯定是要執(zhí)行代碼的，可是我還沒有給它代碼呢，它怎么會(huì)運(yùn)作呢？當(dāng)時(shí)我真的很迷惑。

其實(shí)，STM32 出廠的時(shí)候 Bootloader（用于將用戶程序下載到 STM32 內(nèi)部指定地址處的固件（程序））就已經(jīng)固化在了 System Memory 上了，可讀寫無效。

從 STM32 啟動(dòng)配置一節(jié)中我們知道，可以通過對 BOOT1 和 BOOT0 引腳上高低電平的改變從而實(shí)現(xiàn) STM32 啟動(dòng)方式的不同。

如上所說，Bootloader 存儲(chǔ)在 Sytem Memory 上，如果想要讓 Bootloader 運(yùn)行（將用戶程序下載到指定內(nèi)存地址處），那啟動(dòng)模式肯定是要選擇以系統(tǒng)存儲(chǔ)器的方式啟動(dòng)。

BOOT1 = 0 BOOT0 = 1 -> 系統(tǒng)存儲(chǔ)器模式

因此， 外部電路的設(shè)計(jì)的目的就是要能夠達(dá)到能夠?qū)?BOOT1 和 BOOT0 引腳上高低電平改變的能力 。

接下來，我們就以正點(diǎn)原子的原理圖（探索者）為例，來看下 STM32 外部的電路到底是如何設(shè)計(jì)的，以及Flymcu 到底是怎樣控制 BOOT1 和 BOOT0 引腳上高低電平改變從而達(dá)到具有使得 STM32 從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)的的神奇能力。

如上圖所示，這就是正點(diǎn)原子探索者一鍵下載電路。

一鍵下載電路涉及到模電知識，下面這篇文章寫的還不錯(cuò)，并且還描述了CH340G芯片引腳的作用和功能。

stm32一鍵下載電路（下一篇文章）

從上圖我們可以知道，F(xiàn)lymcu 肯定是通過 usb 線將數(shù)據(jù)或指令寫入 CH340G 內(nèi)（CH340 D + CH340 D- ）然后CH340G根據(jù)來自 usb 的指令進(jìn)行相應(yīng)的工作。

CH340G在此電路中的工作就兩個(gè)：

• 與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交互
• 控制BOOT0和RESET高低電平的變化

特別注意：正點(diǎn)原子探索者BOOT0和BOOT1引腳默認(rèn)都是接地

BOOT0、BOOT1是通過跳線帽和地進(jìn)行連接的

現(xiàn)在我們知道了，控制 BOOT1 和 BOOT0 引腳上高低電平改變是 CH340G 的作用，而 CH340G 是嚴(yán)格按照來自Flymcu 的指令進(jìn)行的，所以，控制 BOOT1 和 BOOT0 引腳上高低電平改變的幕后黑手就是 Flymcu。

注意：向 FLASH 中燒寫程序不僅僅只有串口，由于硬件平臺的限制，因此分析串口下載。

問題來了，那 Flymcu 到底干了什么，它是如何將用戶程序燒寫的 STM32 內(nèi)部指定地址處？

以跑馬燈為例，看下Flymcu燒寫程序過程中輸出的信息。

• DTR 電平置低：復(fù)位
• RTS 電平置高：進(jìn)入 Bootloader
• 延時(shí) 100ms ：有誰能夠告訴我為什么
• DTR 電平置高：釋放復(fù)位
• RTS 維持高 ：此時(shí)開始運(yùn)行 Bootloader
• 開始連接 ：Flymcu 要與 STM32 連接肯定是要發(fā)送特定的指令，并且當(dāng) STM32 接收到預(yù)先約定好的指令時(shí)，也會(huì)發(fā)送特定的回復(fù)。（和接頭的性質(zhì)差不多）

注意：STM32 從 Bootloader 啟動(dòng)到能夠與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互需要一定的時(shí)間，因此連接需要一定的時(shí)間

• 讀出關(guān)于芯片相關(guān)的數(shù)據(jù)
• 讀出選項(xiàng)字節(jié)
• 進(jìn)行全片擦除，去除寫保護(hù)，再次重啟 Bootloader（有大佬能告訴我為什么）
• 編寫程序，從 0x0800 0000 處開始運(yùn)行

上述的過程中，大家比較疑惑的地方就是，Flymcu 發(fā)送給 STM32 的指令到底是什么，這個(gè)指令肯定是事先就確定好的，在這個(gè)文檔中提及到了。

stm32 microcontroller system memory boot mode

這個(gè)手冊中的內(nèi)容大家可以自己詳細(xì)地去看下，內(nèi)容不多，我就粗略地說一下必要的知識點(diǎn)。

硬件連接需要（文檔中的第35頁）

通過串口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)STM32外部電路設(shè)計(jì)。

通過 DFU 與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí) STM32 外部電路設(shè)計(jì)

還有其他的連接方式，我想表述的意思就是：

Bootloader 與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式有很多種，不僅僅只有串口，只是由于硬件平臺有限（正點(diǎn)原子只有通過串口下載的接口（調(diào)試接口除外））而根據(jù)不同的交互方式，STM32 外部的電路設(shè)計(jì)又大不相同。

Bootloader啟動(dòng)流程

從啟動(dòng)流程中我們就可以得到Flymcu發(fā)送給STM32的特定連接指令為：0x7F。

STM32F40xxx/41xxx devices bootloader version

通過版本信息中紅色畫線部分可以得知，當(dāng) Bootloader 接收到相應(yīng)的命令之后，就會(huì)連續(xù)發(fā)送兩個(gè) response。我們這個(gè)時(shí)候再看下 Flymcu 中的輸出信息，

通過紅色畫線部分可以看出，Flymcu 接收到兩個(gè)來自 Bootloader 的信息。

此時(shí)，接頭成功?。。。。?/p>

接頭成功后肯定就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了?。?！

因此，我們最初的猜想是正確的：即 STM32 通過某種外設(shè)將可執(zhí)行文件燒寫至 FLASH 上（也可以是 SRAM）

驗(yàn)證猜想-3

博客當(dāng)中已經(jīng)多次提及到，STM32 不僅可以從 FLASH 上啟動(dòng)，還可以從 SRAM 上啟動(dòng)。并且在STM32啟動(dòng)配置中有一個(gè)小提示：從 SRAM 中啟動(dòng)，需要重新設(shè)置中斷向量表。

中斷向量表的設(shè)置是用戶在用戶程序中自己實(shí)現(xiàn)的?。?！

要驗(yàn)證這個(gè)猜想，可以從 SRAM 中啟動(dòng)，但是不設(shè)置中斷向量表，看一下會(huì)出現(xiàn)什么情況。

由于正點(diǎn)原子的電路設(shè)計(jì)（因?yàn)槲沂褂玫木褪钦c(diǎn)原子的探索者開發(fā)板），使得無法通過串口進(jìn)行 SRAM 啟動(dòng)，只能通過調(diào)試接口下載程序。

注意：SRAM是掉電數(shù)據(jù)就會(huì)丟失的存儲(chǔ)器介質(zhì)，因此使用時(shí)（前提是已經(jīng)掉電）要重新下載程序從 SRAM 中啟動(dòng)的最主要的目的是用來調(diào)試程序，產(chǎn)品中的用戶程序肯定都是存儲(chǔ)在 FLASH 上的，不然每次掉電后用戶程序都沒了！?。?/p>

如何通過調(diào)試接口將用戶程序下載到 SRAM 處，可以參考一下下面兩篇博文：

• STM32 內(nèi)部 SRAM 調(diào)試程序
• 在 SRAM 中調(diào)試代碼

假設(shè)你現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能夠通過調(diào)試接口將用戶程序下載到 SRAM 處，那么接下來，我們來驗(yàn)證一下。如果沒有重新設(shè)置中斷向量表會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果。

得出結(jié)論，總結(jié)歸納

對于最開始提出的三個(gè)猜想，現(xiàn)在可以得出結(jié)論：

• 指令存儲(chǔ)在掉電不丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)上
• STM32 通過某種外設(shè)將可執(zhí)行文件燒寫至掉電不丟失的存儲(chǔ)介質(zhì)上
• 中斷向量表的首地址就是程序的入口地址

注意: 通過串口下載程序，實(shí)際上是 Flymcu（上位機(jī)）與 STM32 內(nèi)置的 Bootloader 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，但兩者直接需要特定的硬件環(huán)境（CH340G（USB轉(zhuǎn)串口芯片））

注意: 內(nèi)存圖中的 reserved 有些是不使用，有些是不能用(有其他重要的作用：可讀寫忽略)，不可以修改其值

看完這篇博客，你的腦海里必須得有一個(gè)流程的框架：

• 用戶面向單片機(jī)編寫用戶代碼（C，C++，ASM）
• 用戶代碼通過交叉編譯工具鏈生成單片機(jī)可以執(zhí)行的可執(zhí)行文件（HEX，BIN，AXF）
• 上位機(jī)：各種燒寫工具（不局限于 Flymcu （因?yàn)?Bootloader 與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互不僅僅只是通過USART）））與單片機(jī)內(nèi)部的 Bootloader進(jìn)行數(shù)據(jù)交互（目的是將可執(zhí)行文件下載到指定的存儲(chǔ)地址處）

將可執(zhí)行文件下載到指定存儲(chǔ)地址處，然后還會(huì)繼續(xù)等待上位機(jī)的 command，可以通過復(fù)位或上位機(jī)發(fā)送跳轉(zhuǎn)到用戶代碼入口地址的命令執(zhí)行用戶程序。

這個(gè)流程的框架總結(jié)一句話就是：

可執(zhí)行程序 -> cpu執(zhí)行第一條用戶代碼的流程

至于 cpu執(zhí)行第一條用戶代碼之后的流程后面的博客會(huì)詳細(xì)說明，但毋庸置疑的是，這是一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)之后執(zhí)行的是你自己編寫的代碼，你比較熟悉這個(gè)過程，但是在這個(gè)點(diǎn)之前，對大部分人來說都是都是比較陌生的，但是但你對這個(gè)過程了解之后，會(huì)對你的知識體系有非常大的提升。