【正点原子STM32】STM32启动过程浅析（MAP文件、STM32启动过程、启动模式、Reset_Handler函数、__initial_sp堆栈的起始地址、堆栈）

一、MAP文件浅析

• MAP文件概念和作用
• MAP文件组成
• MAP文件实操

二、STM32启动过程

• 2.1、STM32启动模式（F1/F4/F7/H7）（也称自举模式）
  • STM32启动模式（F1）
  • STM32启动模式（F4）
  • STM32启动模式（F7）
  • STM32启动模式（H7）
• 2.2、STM32启动过程（内部FLASH启动为例）
  • 启动文件介绍
  • Reset_Handler函数介绍
  • 堆栈简介
  • STM32启动过程图解

三、总结

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参考资料：STM32 MAP文件浅析.pdf、STM32 启动文件浅析.pdf、Cortex-M3权威指南(中文).pdf
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一、MAP文件浅析

MAP文件（Memory Map File）是编译器生成的连接地图文件，提供了有关程序在内存中的布局信息。MAP文件包含了代码、数据、堆栈等在内存中的地址分配情况，以及每个模块的大小等信息。在MDK（Keil Microcontroller Development Kit）编译过程中，MAP文件对于分析程序存储占用情况非常有用。

以下是MAP文件的一些关键信息：

1. 模块列表：

   • 显示了每个编译单元（源文件）生成的目标模块的详细信息，包括模块名称、起始地址、长度等。

2. 内存段信息：

   • 描述了程序的内存布局，包括代码段、数据段、堆栈等的起始地址和长度。

3. 符号表：

   • 包含了程序中使用的所有符号（变量、函数等）的地址和大小。

4. 存储占用情况：

   • 显示了每个内存段（如FLASH、RAM）的占用情况，包括已使用空间、未使用空间等。

5. 调用图：

   • 提供了函数之间的调用关系，可以帮助分析程序的执行流程。

通过分析MAP文件，开发者可以了解程序的内存布局，查看各个模块的存储占用情况，优化代码，解决内存溢出等问题。

MAP文件概念和作用

MAP文件（Memory Map File）是在编译过程中由链接器生成的一种文件，用于描述程序在内存中的布局和各个模块的分配情况。以下是MAP文件的主要概念和作用：

1. 概念：

   • 内存映射： 将程序的各个部分（代码、数据、堆栈等）映射到目标设备的物理内存地址上。
   • 地址空间： 描述程序在内存中的布局，通常包括FLASH、RAM等区域，每个区域都有起始地址和长度。
   • 符号表： 记录了程序中使用的符号（变量、函数等）的地址和大小。

2. 作用：

   • 存储占用分析： 提供了每个模块（源文件、库文件等）在内存中的占用情况，包括代码段、数据段等的大小和地址。
   • 符号信息： 列出了程序中定义和引用的符号，有助于了解各个符号在内存中的分布情况。
   • 调用关系： 提供了函数之间的调用关系，有助于理解程序的执行流程。
   • 优化代码： 开发者可以根据MAP文件分析结果，对代码进行优化，减小存储占用，提高执行效率。

MAP文件是在调试和优化阶段非常有用的工具，通过分析这些信息，开发者可以更好地理解程序在内存中的分布，从而优化代码、解决内存相关问题。

MAP文件组成

MAP文件通常由以下几个主要部分组成：

1. 程序段交叉引用关系：

   • 描述各个源文件（.c、.s等）之间的函数调用关系。
   • 列出了函数之间的引用关系，帮助理解程序的调用流程。

2. 删除映像未使用的程序段：

   • 描述工程中未使用的、被删除的冗余程序段（函数/数据）。
   • 帮助开发者了解工程中存在的冗余代码，有助于优化代码。

3. 映像符号表：

   • 描述各个符号在存储器中的地址、类型、大小等信息。
   • 包括函数、变量等的地址和占用大小。

4. 映像内存分布图：

   • 描述各个程序段（函数）在存储器中的地址及占用大小。
   • 显示了程序在FLASH和RAM等存储器中的布局。

5. 映像组件大小：

   • 汇总整个映像代码（.o文件）占用的空间信息。
   • 给出了程序的总体大小、代码段大小、数据段大小等信息。

这些信息有助于开发者深入了解程序在内存中的布局和分布情况，通过MAP文件，可以更好地进行代码优化、查找冗余代码、解决内存相关的问题。

MAP文件实操

学会分析：哪个.c占用flash 和ram比较大，以便针对性的优化

map 文件的 MDK 设置

设置好 MDK 以后，我全编译当前工程，当编译完成后（无错误），就会生成.map 文件。在 MDK 里面打开 .map 文件的方法如图所示：

1. 先确保工程编译成功（无错误）。
2. 双击 LED，打开.map 文件。
3. map 文件打开成功。

二、STM32启动过程

2.1、STM32启动模式（F1/F4/F7/H7）（也称自举模式）

启动模式，也被称为自举模式（bootstrapping mode），是指在单片机复位后执行的初始化和启动操作。对于STM32和许多其他微控制器，启动模式包括以下几个关键步骤：

1. 取出堆栈指针 MSP 的初始值：

   • 从地址0x0000 0000处读取的第一个字（32位）是堆栈指针的初始值。这个值表示了栈的初始位置。

2. 取出程序计数器指针 PC 的初始值：

   • 从地址0x0000 0004处读取的第二个字是程序计数器的初始值，即复位向量。这个值指示了执行程序的起始地址。

3. 地址映射：

   • 注意到芯片厂商可能会将0x0000 0000和0x0000 0004地址映射到其他地址。这是由于一些芯片允许在不同的启动模式下加载不同的固件。这样，启动模式可以选择不同的起始地址。

在STM32中，这些初始值是由芯片上的启动加载器（Bootloader）提供的，该加载器通常存储在固定的引导区域中。通过在这个引导区域中设置不同的启动模式标志位，可以选择加载不同的程序或固件。

这个启动过程确保了在复位后，程序能够正确地开始执行，并且栈和程序计数器都被正确初始化。

STM32启动模式（F1）

STM32启动模式（F4）

STM32启动模式（F7）

STM32启动模式（H7）

2.2、STM32启动过程（内部FLASH启动为例）

STM32启动过程的步骤详细说明：

1. Reset复位：

   • 当STM32芯片上电或复位时，处理器会进入复位状态，即复位向量。在复位状态下，处理器会执行一系列初始化步骤来确保正常运行。

2. 获取MSP值0X0800 0000：

   • 复位向量的第一个字（32位）包含堆栈指针（MSP - Main Stack Pointer）的初始值。处理器将该值加载到堆栈指针寄存器（SP）中。

3. 获取PC值0X0800 0004：

   • 复位向量的第二个字包含程序计数器（PC - Program Counter）的初始值，即复位向量。处理器将该值加载到程序计数器寄存器（PC）中。

4. Reset_Handler：

   • 复位向量中的复位向量指向Reset_Handler。这是一个特殊的函数，由启动文件（通常是startup_stm32xxx.s）提供。Reset_Handler 会执行一些处理器的基本初始化，然后跳转到 main 函数。

5. 启动文件 startup_stm32xxx.s：

   • 启动文件是一个汇编文件，包含处理器初始化和启动的汇编代码。它负责初始化数据段、BSS 段、调用系统初始化等。

6. main函数：

   • 一旦启动文件执行完毕，它将跳转到 main 函数。在 main 函数中，用户可以编写他们的应用程序代码。

这个启动过程确保了在复位后，程序能够正确地开始执行。内部FLASH启动是默认的启动模式，但STM32芯片通常支持其他启动模式，例如通过串口或外部存储器引导。在这种情况下，复位向量和启动文件可能会有所不同。

启动文件介绍

对STM32启动过程的这些关键步骤概述。以下是对每个步骤的一些进一步的解释：

1. 初始化MSP：

   • MSP（Main Stack Pointer）是处理器的主堆栈指针，指向主堆栈区的顶部。在启动时，它的初始值通常是存储在复位向量表的第一个位置（0x0800 0000）的值。这个值通常是设备的系统内存（RAM）的顶部。

2. 初始化PC：

   • PC（Program Counter）是处理器的程序计数器，指向要执行的下一条指令的内存地址。在启动时，PC 的初始值存储在复位向量表的第二个位置（0x0800 0004）。这个值通常是 Reset_Handler 函数的地址，它是启动文件中的一个特殊函数。

3. 设置堆栈大小：

   • 堆栈和堆是两个不同的内存区域。在启动时，通常设置堆栈大小和堆大小。这些值由链接脚本（.ld 文件）定义，然后由链接器使用。

4. 初始化中断向量表：

   • 中断向量表是一系列指向中断服务例程（ISR）的指针。在启动时，这些指针的初始值存储在复位向量表中。__Vectors 是一个包含这些指针的数组。

5. 调用初始化函数：

   • SystemInit 函数是一个可选的函数，用于执行系统级的初始化。这可能包括设置系统时钟、中断优先级等。

6. 调用 __main：

   • __main 是标准 C 库函数，它执行一系列的设置，并最终调用 main 函数。在用户代码中，main 函数是程序的起始点。

这些步骤确保了在复位后，处理器能够按照预期的方式执行程序。这个过程是由启动文件和链接脚本控制的，具体的细节可能会因设备型号和编译环境而有所不同。

Reset_Handler函数介绍

这段汇编代码是 Cortex-M 处理器的启动代码，主要完成了以下几个步骤：

1. 导出 Reset_Handler 函数： EXPORT 关键字用于标明 Reset_Handler 函数是一个全局可见的标识符，可以被其他模块引用。

2. 声明 __main 和 SystemInit 函数： IMPORT 关键字用于声明 __main 和 SystemInit 函数，这两个函数通常是由编译器生成的。

3. 加载 SystemInit 函数的地址到 R0 寄存器： 使用 LDR 指令将 SystemInit 函数的地址加载到 R0 寄存器。

4. 通过 BLX 指令调用 SystemInit 函数： BLX 指令用于调用函数，这里将通过 R0 寄存器中的地址调用 SystemInit 函数。这个函数通常包含了系统初始化的相关操作。

5. 加载 __main 函数的地址到 R0 寄存器： 使用 LDR 指令将 __main 函数的地址加载到 R0 寄存器。

6. 通过 BX 指令跳转到 __main 函数： BX 指令用于跳转到指定地址的子程序，这里将跳转到 __main 函数，即 C 语言程序的入口点。

7. 定义 Reset_Handler 过程结束： ENDP 关键字用于表示 Reset_Handler 过程的结束。

8. 弱定义标记： WEAK 关键字表示这是一个弱定义，如果在其他地方有相同的函数定义，链接器可以选择其中一个。在这里，如果系统提供了自定义的 SystemInit 函数，它将被使用；否则，使用默认的 SystemInit 函数。

这段代码是启动文件中的一部分，它负责初始化系统，并跳转到主程序的入口点。

堆栈简介

堆栈是在程序运行时动态分配和管理内存的两个主要区域。这两个区域分别是：

1. 栈(Stack):

   • 由编译器自动分配和释放。
   • 用于存放函数参数、局部变量等。
   • 具有后进先出（LIFO）的结构，即最后入栈的数据最先出栈。
   • 栈的大小在编译时就已经确定，通常比较有限，如果函数调用层次太深或者局部变量较多，可能导致栈溢出。

2. 堆(Heap):

   • 由程序员负责手动分配和释放。
   • 通过动态内存分配函数（如malloc、calloc、realloc等）进行操作。
   • 用于存储程序运行时动态分配的数据。
   • 堆的大小通常比栈大得多，但使用不当可能导致内存泄漏或者堆碎片问题。

在嵌入式系统开发中，尤其是对于资源有限的系统，合理管理栈和堆的大小是很重要的。太小的栈可能导致栈溢出，而太小的堆可能导致动态内存分配失败。在确定栈和堆的大小时，需要考虑程序的复杂性、函数调用深度、局部变量和动态内存需求等因素。

STM32启动过程图解

在嵌入式系统中，Reset_Handler 是一个特殊的函数，它是系统复位后执行的第一个函数。该函数负责初始化系统，设置堆栈和跳转到主函数（通常是 main 函数）。下面是一个简单的 Reset_Handler 函数的例子：

Reset_Handler PROC
    EXPORT Reset_Handler [WEAK]
    IMPORT __main
    IMPORT SystemInit

    LDR R0, =SystemInit
    BLX R0

    LDR R0, =__main
    BX R0
    ENDP

在这个例子中：

• EXPORT 表示将 Reset_Handler 函数标记为可被外部调用。
• IMPORT 表示引入外部定义的函数，这里是 __main 和 SystemInit。
• LDR R0, =SystemInit 将 SystemInit 函数的地址加载到寄存器 R0。
• BLX R0 调用 SystemInit 函数。
• 接着调用 __main 函数，通常在该函数中会进入到用户编写的 main 函数。

关于 __initial_sp，它是初始化堆栈指针的一个符号。在 ARM Cortex-M 处理器中，启动代码通常将 __initial_sp 设置为堆栈的起始地址。在链接脚本中，你可能会看到类似如下的定义：

__initial_sp = 0x20020000; /* 堆栈的起始地址，具体值根据实际情况而定 */

这个地址指向的是堆栈的起始位置，即堆栈的最高地址。在 Reset_Handler 函数中，会将这个地址加载到堆栈指针寄存器 MSP（Main Stack Pointer）中，从而初始化堆栈。这个过程通常在 SystemInit 函数中完成。

总的来说，Reset_Handler 负责系统的初始化，包括设置堆栈和调用主函数，而 __initial_sp 是堆栈的初始地址。这两者通常在启动文件（startup 文件）中定义和使用。

三、总结