MCU启动流程详解

MCU启动流程

MCU启动流程

1 MCU的启动方式

单片机的启动方式，以stm32为例，如下：
不同的下载方式对应的不同的启动方式，stm32主要有三种启动方式：flash memory、system memory、Embedded SRAM

flash启动（最常用）：stm32的flash能够擦写数十万次，用户通过JTAG或SWD模式，将程序下载至此，重新启动从此处启动
sytem memory （系统存储器启动）：系统存储器是芯片内的一块特定的区域，系统存储器中预置了一段bootloader,bootloder将程序下载到flash区，通过flash启动
内嵌SRAM启动：从内存中直接启动代码，避免因小修改反复擦写flash内存，一般用于高速调试

2 MCU程序启动执行过程

MCU上电，根据BOOT的引脚（BOOT0、BOOT1）电平，来确定启动地址。一般地址是0x0000000，个别如stm32的启动地址是0x8000000（flahs区启动）。
stm32内部闪存的起始地址为0x8000000，程序从此处写入，中断向量表位于该位置，首先从0x8000000取出MSP的栈顶指针（设置堆栈），然后从中断向量表中取出复位中断向量，并执行复位中断程序来完成启动。
程序执行过程如图：
1、STM32复位后，会从地址为0x8000004处取出复位中断向量的地址，并跳转执行复位中断服务程序，如图1中标号1️⃣​所示。
2、复位中断服务程序执行的最终结果是跳转至C程序的main函数，如上图中标号2️⃣所示，而main函数应该是一个死循环，是一个永不返回的函数。
3、在main函数执行的过程中，发生了一个中断请求，此时STM32的硬件机制会将PC指针强制指回中断向量表处，如图中标号3️⃣所示。
4、根据中断源进入相应的中断服务程序，如图1中标号5️⃣所示。
5、中断服务程序执行完毕后，程序再度返回至main函数中执行，如图中标号6️⃣所示。

3 启动过程的执行工作

启动过程主要完成两部分工作：硬件环境、软件环境
硬件环境操作：
初始化时钟：初始化内核时钟，主时钟和各个外设的时钟
关闭看门狗：看门狗用来检测应用程序异常跑飞而复位CPU，在初始化阶段，没有“喂狗“的动作，有可能导致CPU 不断的复位，此处需要关闭看门狗
建立中断向量表：中断向量表作为中断源的识别标志，可以形成相应的中断入口地址，或者中断服务程序的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到事务
初始化堆栈：堆栈的作用就是保护现场（上下文），函数调用或中断发生时，将当前执行地址压栈，调用完再返回执行此次的地址。在启动阶段，初始化堆栈的寄存器、堆栈大小、起始地址等
内存初始化：选择内部或外部RAM
软件环境操作：
把RO、RW从它们的加载域复制到运行域
初始化ZI域
初始化堆栈指针：包括C库所需要的内存空间、程序执行的所需资源、C库初始化

4 keil调式过程验证

进入调试模式，首先进入一个启动文件starup_ARMCM4.s的启动文件，运行指示光标，会停在SystemInit上：

starup_ARMCM4.s代码的前面是：栈大小stack size设置、堆大小 heap size的设置、一堆中断向量表 Vect Table
当前运行所在处为Reset_Handle处，在执行main 之前还需要执行 SystemInit，SystemInit在system_ARMCM4.c文件中，如下跳转至system_ARMCM4.c中的SystemInit函数

执行完SystemInit，将执行__main函数

参考:单片机启动过程: main之前干了啥

5 调试文件map

xxx.map文件是一种通过编译得到的调试输出信息文件，通过map文件可以了解函数的大小，入口地址、变量、参数的大小位置等一些列信息，用于解决内存越界以及数据溢出等问题。
map文件是在配置页面的Linker Listing选项卡进行配置：

map文件分析：map文件主要分为5大类，如下：

Section Cross References：模块、段（入口）交叉引用
配置勾选—–>Cross Reference

针对第四条内容：
startup_armcm4.o(RESET) refers to startup_armcm4.o(STACK) for __initial_sp
表示startup_armcm4.o中的RESET段引用了startup_armcm4.o中的STACK段中的一个全局变量（或函数）__initial_sp
Removing Unused input sections from the image：移除未调用模块
配置勾选—–>Unused Section Info
显示的是编译时从映像中被移除的未调用模块，以及它们的大小及总体统计内容

Image Symbol Table：映射符号表
配置勾选—–>Symbols
该部分显示符号映射表，包括两个部分：Local Symbol（局部变量）和Global Symbol（全局变量）

Memory Map of the image：内存（映射）分布
配置勾选—–>Memory Map

Image Entry point : 0x000000c1 映射入口地址
Load Region LR_IROM1 (Base: 0x00000000, Size: 0x0000026c, Max: 0x00040000, ABSOLUTE)：指加载区域位于LR_IROM1开始地址0x00000000，大小有0x0000026c，这块区域最大为0x00040000
Execution Region ER_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x00001188, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)

Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x00000268, Size: 0x00001068, Max: 0x00020000, ABSOLUTE)

首先就是映像的入口地址0x000000c1，然后可以知道加载域的起始地址，大小，最后知道执行域ROM和RAM的起始地址和大小，其中0x20000000是RAM起始地址，0x00000000是ROM起始地址，在这里也就是flash。一些被丢弃掉的数据，比如没有使用的变量被优化后是不会在表中显示出来的。
Image component sizes：存储组成大小
配置勾选—–>Size Info

Code：代码数据
RO-data：指只读数据，除了内联数据之外的常量数据
RW-data：指可读写、已初始化变量
ZI-data：为初始化变量

上面显示的几个区域的总体占用大小，其中：
Code、Ro-data：位于FLASH
Rw-data、ZI-data：位于RAM中
RW-data已初始化的数据会存储在Flash中，上电会从FLASH搬移至RAM
Total ROM Size就是下载到flash中的程序大小