STM32的完整启动流程分析

STM32的完整启动流程分析

根据boot引脚决定三种启动模式

图片[1]-STM32的完整启动流程分析-昕某人の博客

复位后,在 SYSCLK 的第四个上升沿锁存 BOOT 引脚的值。BOOT0 为专用引脚,而 BOOT1 则与 GPIO 引脚共用。一旦完成对 BOOT1 的采样,相应 GPIO 引脚即进入空闲状态,可用于其它用途。BOOT0与BOOT1引脚的不同值指向了三种启动方式:

  1. 从主Flash启动。主Flash指的是STM32的内置Flash。选择该启动模式后,内置Flash的起始地址(0x80000000)将被重映射到0x00000000地址,代码将在该处开始执行。一般我们使用JTAG或者SWD模式下载调试程序时,就是下载到这里面,重启后也直接从这启动。
  2. 从系统存储器启动。系统储存器指的是STM32的内置ROM,选择该启动模式后,内置ROM的起始地址将被重映射到0x00000000地址,代码在此处开始运行。ROM中有一段出厂预置的代码,这段代码起到一个桥的作用,允许外部通过UART/CAN或USB等将代码写入STM32的内置Flash中。这段代码也被称为ISP(In System Programing)代码,这种烧录代码的方式也被称为ISP烧录。
  3. 从嵌入式SRAM中启动。该方法是在STM32的内置SRAM中启动,选择该启动模式后,内置SRAM的起始地址将被重映射到0x00000000地址,代码在此处开始运行。这种模式由于烧录程序过程中不需要擦写Flash,因此速度较快,适合调试,但是掉电丢失。

在下图中也展示了STM32F4xx中统一编址下,各内存的地址分配,注意一点,即使相应的内存被映射到了0x00000000起始的地址,通过其原来地址依然是可以访问的

图片[2]-STM32的完整启动流程分析-昕某人の博客

启动后bootloader做了什么

根据BOOT引脚确定了启动方式后,处理器进行的第二大步就是开始从0x00000000地址处开始执行代码,而该处存放的代码正是bootloader。

bootloader,也可以叫启动文件,无论性能高下,结构简繁,价格贵贱,每一种微控制器(处理器)都必须有启动文件,启动文件的作用便是负责执行微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间(称为启动过程)所必须进行的工作

启动文件中首先会定义堆栈,定义中断/异常向量表,而其中只实现了复位的异常处理函数Reset_Handler,该函数内容如下(STM32F4XX,IAR编译器),可以看到其主要执行了SystemInit和__iar_program_start两个函数,其主要功能除了初始化时钟,FPU等,还会执行一个重要功能,那就是内存的搬移、初始化操作。

图片[3]-STM32的完整启动流程分析-昕某人の博客

bootloader中对内存的搬移和初始化

图片[4]-STM32的完整启动流程分析-昕某人の博客

烧录的镜像文件中包含只读代码段.text,已初始化数据段.data和未初始化的或者初始化为0的数据段.bss。代码段由于是只读的,所以是可以一直放在Flash中,CPU通过总线去读取代码执行就OK,但是.data段和.bss段由于会涉及读写为了,为了更高的读写效率是要一定搬到RAM中执行的,因此bootloader会执行很重要的一步,就是会在RAM中初始化.data和.bss段,搬移或清空相应内存区域。
因此,当启动方式选择的是从内置Flash启动的时候,代码依旧是在Flash中执行,而数据则会被拷贝到内部SRAM中,该过程是由bootloader完成的。bootloader在完成这些流程之后,就会将代码交给main函数开始执行用户代码。

PC机在运行程序的时候将程序从外存(硬盘)中,调入到RAM中运行,CPU从RAM中读取程序和数据;而单片机的程序则是固化在Flash中,CPU运行时直接从Flash中读取程序,从RAM中读取数据,那么PC机能从Flash之类的存储介质中直接读代码执行吗?

答案是不行。因为x86构架的CPU是基于冯.诺依曼体系的,即数据和程序存储在一起,而且PC机的RAM资源相当丰富,从几十M到几百M甚至是几个G,客观上能够承受大量的程序数据。但是单片机的构架大多是哈弗体系的,即程序和数据分开存储,而且单片的片内RAM资源是相当有限的,内部的RAM过大会带来成本的大幅度提高。

ISP、IAP、ICP三种烧录方式

  1. ICP(In Circuit Programing)。在电路编程,可通过CPU的Debug Access Port 烧录代码,比如ARM Cortex的Debug Interface主要是SWD(Serial Wire Debug)或JTAG(Joint Test Action Group);
  2. ISP(In System Programing)。在系统编程,可借助MCU厂商预置的Bootloader 实现通过板载UART或USB接口烧录代码。
  3. IAP(In Applicating Programing)。在应用编程,由开发者实现Bootloader功能,比如STM32存储映射Code分区中的Flash本是存储用户应用程序的区间(上电从此处执行用户代码),开发者可以将自己实现的Bootloader存放到Flash区间,MCU上电启动先执行用户的Bootloader代码,该代码可为用户应用程序的下载、校验、增量/补丁更新、升级、恢复等提供支持,如果用户代码提供了网络访问功能,IAP 还能通过无线网络下载更新代码,实现OTA空中升级功能。
  4. ISP程序一般是芯片厂家提供的。IAP一般是用户自己编写的。
  5. ISP一般支持的烧录方式有限,只有串口等。IAP就比较灵活,可以灵活的使用各种通信协议烧录。
  6. ISP一般需要芯片进行一些硬件上的操作才行,IAP全部工作由程序完成,不需要去现场。
  7. ISP一般只需要按格式将升级文件通过串口发送就可以。IAP的话控制相对麻烦,如果是OTA的话还需要编写后台的。
  8. 注意,这里介绍的bootloader功能显然跟之前介绍的启动文件bootloader有所区别,其目的是为了能接受外部镜像进行烧录,而不是为了运行普通用户程序。

 

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