詳細的STM32啟動配置流程解析

第第頁詳細的STM32啟動配置流程解析大家不妨設(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的啟動方式有很多種，從主存FLASH啟動，從systemmem（or）y啟動，從S（RAM）中啟動。

問題3：從SRAM中啟動，為什么需要重新設(shè)置中斷向量表

接下來，我們將圍繞這三個問題進行解答

猜想

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

猜想1：指令存儲在掉電不丟失的存儲介質(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，這一點肯定是毋庸置疑的，因為cpu與外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互的時候是通過外設(shè)（控制器）來進行的。

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0X08000000，SRAM基地址為0X20000000。可不可能是因為這兩個存儲介質(zhì)的地址不同，所以才要重新設(shè)置中斷向量表。因為我們都知道，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)

實驗驗證

實驗前必備知識

1.XIP設(shè)備eXecu（te）InPl（ac）e，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)中才可以被運行，但實際上應(yīng)用程序是可以直接在flash閃存運行的，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、SYSTEMMEMORY、OP（TI）ONBYTES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0x00000000~0x1FFFFFFF內(nèi)。上述的內(nèi)存圖是通過映射的方式將芯片的框圖進行映射得到的，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)進行數(shù)據(jù)交互。一個外設(shè)對應(yīng)一個內(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啟動配置在STM32F10xxx里，可以通過BOOT[1:0]引腳選擇三種不同啟動模式。

在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個上升沿，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)位后的啟動模式。在啟動延遲之后，CPU從地址0x00000000獲取堆棧頂?shù)牡刂?，并從啟動存儲器?x00000004指示的地址開始執(zhí)行代碼。(這里先不驗證，在之后的博客中會進行驗證，但你需要記住，后面用的上)因為固定的存儲器映像，代碼區(qū)始終從地址0x00000000開始(通過（IC）ode和（DC）ode總線訪問)，而數(shù)據(jù)區(qū)（SRAM）始終從地址0x20000000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，即啟動僅適合于從代碼區(qū)開始（典型地從Flash啟動）。STM32F10xxx（微控制器）實現(xiàn)了一個特殊的機制，系統(tǒng)可以不僅僅從Flash存儲器或系統(tǒng)存儲器啟動，還可以從內(nèi)置SRAM啟動。根據(jù)選定的啟動模式，主閃存存儲器、系統(tǒng)存儲器或SRAM可以按照以下方式訪問：

從主閃存存儲器啟動：主閃存存儲器被映射到啟動空間（0x00000000），但仍然能夠在它原有的地址（0x08000000）訪問它，即閃存存儲器的內(nèi)容可以在兩個地址區(qū)域訪問，0x00000000或0x08000000。

從系統(tǒng)存儲器啟動：系統(tǒng)存儲器被映射到啟動空間（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：只能在0x20000000開始的地址區(qū)訪問SRAM（當(dāng)從內(nèi)置SRAM啟動，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的，也就是用戶代碼被燒寫到0x08000000地址處。內(nèi)嵌的自舉程序（Bootlo（ad）er）內(nèi)嵌的自舉程序存放在系統(tǒng)存儲區(qū)，由ST在生產(chǎn)線上寫入，用于通過可用的串行（接口）對閃存存儲器進行重新（編程），也就是這個自舉程序在出廠的時候就已經(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，后面會講到。如果想要詳細了解這個自舉程序到底干了什么，可以看下官方文檔：STM32microcontrollersystemmemorybootmode3.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)一個復(fù)位，比如在電路板上設(shè)計一復(fù)位電路，通過按下按鍵就可以給系統(tǒng)實現(xiàn)一個復(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)位里面的某點開始的啟動操作。復(fù)位需要初始化CPU系統(tǒng)，包括CPU和內(nèi)存等。

驗證猜想

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

如果從主FLASH啟動，用戶代碼存儲在0X08000000

如果從SYSTEMMEMORY啟動，里面存儲的是Bootloader，是芯片出廠的時候就已經(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STM32。

如果從SRAM啟動，用戶代碼存儲在0X20000000

2.驗證猜想-2實驗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)在我們需要驗證的就是如何將可執(zhí)行文件燒寫到指定的存儲設(shè)備中去（假設(shè)是FLASH，其實也可以是SRAM）我第一次使用Fly（mcu）（串口（下載）軟件的時候），我腦海里就有一個疑問，就是這個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！因為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，它怎么會運作呢？當(dāng)時我真的很迷惑。其實，STM32出廠的時候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SystemMemory上了，可讀寫無效。從STM32啟動配置一節(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現(xiàn)STM32啟動方式的不同。

如上所說，Bootloader存儲在SytemMemory上，如果想要讓Bootloader運行（將用戶程序下載到指定內(nèi)存地址處），那啟動模式肯定是要選擇以系統(tǒng)存儲器的方式啟動。

BOOT1=0

BOOT0=1->系統(tǒng)存儲器模式

因此，外部電路的設(shè)計的目的就是要能夠達到能夠?qū)OOT1和BOOT0引腳上高低電平改變的能力。接下來，我們就以正點原子的原理圖（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到具有使得STM32從系統(tǒng)存儲器啟動的的神奇能力。

如上圖所示，這就是正點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，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)（CH340D+CH340D-）然后CH340G根據(jù)來自usb的指令進行相應(yīng)的工作。CH340G在此電路中的工作就兩個：

與STM32進行數(shù)據(jù)交互

控制BOOT0和RESET高低電平的變化

特別注意：正點原子探索者BOOT0和BOOT1引腳默認都是接地

BOOT0、BOOT1是通過（跳線帽）和地進行連接的現(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是嚴格按照來自Flymcu的指令進行的，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：進入Bootloader

延時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：此時開始運行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，也會發(fā)送特定的回復(fù)。（和接頭的性質(zhì)差不多）

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

讀出關(guān)于芯片相關(guān)的數(shù)據(jù)

讀出選項字節(jié)

進行全片擦除，去除寫保護，再次重啟Bootloader（有大佬能告訴我為什么）

編寫程序，從0x08000000處開始運行

上述的過程中，大家比較疑惑的地方就是，F(xiàn)lymcu發(fā)送給STM32的指令到底是什么，這個指令肯定是事先就確定好的，在這個文檔中提及到了。stm32microcontrollersystemmemorybootmode這個手冊中的內(nèi)容大家可以自己詳細地去看下，內(nèi)容不多，我就粗略地說一下必要的知識點。硬件連接需要（文檔中的第35頁）通過串口與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互時STM32外部（電路設(shè)計）。

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

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)計又大不相同。Bootloader啟動流程

從啟動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/41xxxdevicesbootloaderversion

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，就會連續(xù)發(fā)送兩個response。我們這個時候再看下Flymcu中的輸出信息，

通過紅色畫線部分可以看出，F(xiàn)lymcu接收到兩個來自Bootloader的信息。此時，接頭成功！?。。?！接頭成功后肯定就可以進行數(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，還可以從SRAM上啟動。并且在STM32啟動配置中有一個小提示：從SRAM中啟動，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現(xiàn)的?。?！要驗證這個猜想，可以從SRAM中啟動，但是不設(shè)置中斷向量表，看一下會出現(xiàn)什么情況。

由于正點原子的電路設(shè)計（因為我使用的就是正點原子的探索者開發(fā)板），使得無法通過串口進行SRAM啟動，只能通過調(diào)試接口下載程序。

注意：SRAM是掉電數(shù)據(jù)就會丟失的存儲器介質(zhì)，因此使用時（前提是已經(jīng)掉電）要重新下載程序從SRAM中啟動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在FLASH上的，不然每次掉電后用戶程序都沒了?。?！

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，我們來驗證一下。如果沒有重新設(shè)置中斷向量表會出現(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猜想，現(xiàn)在可以得出結(jié)論：

指令存儲在掉電不丟失的存儲介質(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介質(zhì)上

中斷向量表的首地