代码收藏家技术教程 2023-08-11

MCU（Cortex-M3/M4）启动加载过程和内存分配原理详解

最近发现对基础不太熟悉，写篇笔记记录一下MCU启动到用户C语言运行，之前做了那些工作，同时flash和Ram又分别保存了那个数据，每一段又是什么意义，方便后续自己忘记了，查阅。

一、 MCU启动

在MCU上电/复位之后到程序开始运行前，Cortex – M处理器会从存储器中读取出两个字（注意在32位系统中一个字位32bit），即读取地址0x00000000和0x00000004的数据，这两个地址存放的值分别为MSP（Main stack pointer）主栈指针的初始值，以及代表复位处理处理起始地址的复位向量。处理器读出这两个字用于初始化MSP主栈指针，和PC（Program Counter）程序计数器。

Cortex – M3和M4的寄存器组如下图所示。（图片参考了《ARM Cortex – M3和Cortex – M4权威指南》第三版）

需要注意的是，主流MCU的启动方式一般有3种，GD32F4为例，通过配置外部引进BOOT0、BOOT1的电平状态选择启引导方式。区别就是将0x00000000映射到不同的地址，如果选择FLASH启动，处理器对0x00000000的读取其实就是对0x08000000地址的读取。

下图为GD32F4xx的启动引导配置说明（截图来源《GD32F4xx_User_Manual_Rev2.8_CN》）

二、启动文件 -> 用户主函数执行

从上电开始，这期间MCU在跑的程序，其实是启动文件.s编写的程序内容。在MCU工程中，会有一个.s的启动文件，一般这个启动文件由器件厂商提供。

启动文件的功能主要为：

1–初始化栈指针MSP=_initial_sp。

简单来讲就是在程序第一个字放置了堆栈指针MSP的值。

2–初始化复位程序计数寄存器值=Reset_Handler（弱函数）。

简单来讲就是在程序第二个字放置了Reset_Handler复位中断的函数入口地址

3–初始化异常/ 中断向量表。

简单来讲就是在第3字后，放各个系统各种类型中断的函数入口地址（弱函数，如果用户未定义默认指向Default_Handler ），这些各种中断的入口地址，我们一般称之为中断向量表。

4–系统时钟配置。

这个是在Reset_Handler函数里面，里面会调用一个函数，有些启动文件没有默认定义这个函数，导致有些工程的SystemInit函数必须由用户定义。

5– C库函数_main初始化用户堆栈的调用。

_main是进入main函数之前的初始化函数，可以理解为，进入main之前先调用了__main()函数去初始化一些内容，然后再到我们可以在C环境中编写的程序。

具体启动文件内容详解，可以去看其他博主的介绍，这里列出链接：

STM32启动文件讲解_XYJ_Tiger的博客-CSDN博客

STM32F10x启动文件详解_stm32f10x_md_超级网吧的博客-CSDN博客

3-STM32启动文件详解_南山府嵌入式的博客-CSDN博客

需要注意的是上面介绍的是.s文件的功能，实际程序跑起来后运行顺序如下：

1.赋值MSP。

2.进入Reset_Handler去处理

Reset_Handler中会进入SystemInit 和 __main函数，然后就进入C语言运行环境。

注意：如果Reset_Handler处理期间有中断的话，就会跳去中断向量表然后找到中断处理函数地址，再跳过去处理中断。这也是Cortex – M3/M4内核先赋值MSP的原因所在。

那问题来了，__main的函数源码在哪呢？参考其他博主的博客。

MDK __main()代码执行分析_keil _maim_TS_up的博客-CSDN博客

三、 MCU内部Flash、RAM中的数据

我们写个程序，用编译后最终会生成一个可以烧写入芯片flash的可执行文件，常见的两种，一种是.bin，一种是.hex文件。

STM32的内存又有了６个储存数据段和３种储存属性区的概念

参考下文链接：

两种存储器，三种内存大小，六段段

MDK编译出来后，会分为4个中类型

Code、RO Data、RW Data、ZI Data

Code ：代表执行的代码，程序中所有的函数，存在flash中；
RO-data ：代表只读数据，程序中所定义的全局常量数据（局部常量放在栈区），存在flash中；
RW-data：代表已初始化的读写数据，程序中定义并且初始化的全局变量和静态变量，存在flash中，程序运行后（具体由__main来实现，会将在Flash区域中的RW-data拷贝到RAM中）；
ZI-data：zero initial，就是程序中用到的变量并且被系统初始化为0的变量的字节数（在ram中）

其实我主要关心的是，程序编译出来后，数据是怎么放置的，程序运行之后数据又是怎么放置的。