[嵌入式]STM32的完整启动流程分析

关于STM32的启动流程，网上有的资料在讨论几种boot模式，有的在回答启动文件的内容，在查阅了很多资料后，本文给出一个比较全面的总结和回答。

1. 根据boot引脚决定三种启动模式

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。关于ISP、ICP和IAP之间的区别将在后续章节中介绍。
3. 从嵌入式SRAM中启动。显然，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。

总结：上面的每一种启动方式我都描述了“xxx的起始地址被重映射到了0x00000000地址，从而代码从xxx开始启动”，如下图是STM32F4xx中文参考手册中的图，可以看到类似的表述。同时，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。

2. 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。最为常见的51，AVR或MSP430等微控制器当然也有对应启动文件，但开发环境往往自动完整地提供了这个启动文件，不需要开发人员再行干预启动过程，只需要从main函数开始进行应用程序的设计即可。同样，STM32微控制器，无论是keiluvision4还是IAR EWARM开发环境，ST公司都提供了现成的直接可用的启动文件。
网上有很多资料分析了STM32的启动文件的内容，在此我只进行简单的表述。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。 这是我想重点介绍的内容，同时也会回答一个疑问，就是如果从Flash启动的话，代码究竟是运行在哪儿的？在我之前接触ARM9、CortexA系列的时候，一般都是把代码搬到内部的SRAM或者外部DDR中执行的，STM32是如何呢？答案下一小节揭晓。

3. bootloader中对内存的搬移和初始化

本节针对程序在内置Flash中启动的情况进行分析。

我们知道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。
因此我们知道，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。

• 现在让我们思考一个问题，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。

4. ISP、IAP、ICP三种烧录方式

虽然这个小节稍稍偏题，但是由于上面在3中启动方式中介绍过了ISP烧录，因此一并在此介绍剩下的两种烧录方式。
本小节摘自 https://blog.csdn.net/zhuimeng_ruili/article/details/119709888。

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. IAP和ISP 的区别。
   a、ISP程序一般是芯片厂家提供的。IAP一般是用户自己编写的
   b、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
   c、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
   d、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。
   e、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。

5. 参考资料

1. STM32 BOOT模式配置以及作用： https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6273014.html
2. 高手带你分析STM32 的启动过程： https://blog.csdn.net/zhuimeng_ruili/article/details/108789033
3. [原创]在main()之前，IAR都做了啥？https://www.cnblogs.com/mssql/archive/2011/01/29/tt146.html
4. STM32启动过程启动文件分析：https://www.sohu.com/a/77623300_119709
5. STM32中的程序在RAM还是FLASH里运行？https://blog.csdn.net/u012252959/article/details/80800559