STM32F103启动过程分析：从CPU上电到main()

以STM32F103为例，通过分析libopencm3中特定芯片的启动代码，来了解整个启动过程——从CPU上电到运行main()。

1. 复位向量获取

• 从向量表的0000 0000偏移处加载初始堆栈指针(SP)
• 从向量表的0000 0004偏移获取复位处理函数地址(reset_handler)
• 内存映射：
  • 定义于链接脚本stm32f103cbtx_flash.ld（连接脚本在编译阶段就划分好了内存布局）
  • Flash: 0x08000000-0x08020000 (128KB)
  • RAM: 0x20000000-0x20005000 (20KB)

关键符号定义（链接脚本中）：

• _stack = 0x20005000（栈顶指针）
• _data = RAM中.data段起始
• _edata = RAM中.data段结束
• _ebss = .bss段结束
• _data_loadaddr = FLASH中.data段的原始位置

补充：内存布局详解
嘉立创STM32F103CBT6官方手册连接

2. 执行复位处理函数

文件位置：lib/libopencm3/lib/cm3/vector.c、/lib/libopencm3/lib/stm32/f1/vector_nvic.c

中断向量表是嵌入式系统中的关键数据结构，位于Flash起始位置（0x08000000），包含以下核心信息：

• 物理结构：
  • 32位地址数组，每个条目对应一个异常/中断
  • 首条目：初始堆栈指针（SP）
  • 第二条目：复位处理函数地址（reset_handler）
  • 后续条目：其他异常和中断处理函数地址
  • 所以中断向量表本质上是提供各种处理函数入口地址的容器。根据中断向量表提供的对应函数指针
• 工作原理：
  中断向量表中的中断函数指针调用过程完全由硬件自动完成。这里的NVIC是指​​嵌套向量中断控制器（Nested Vectored Interrupt Controller），位于 ARM Cortex-M 处理器内部，是 CPU 核的一部分。​作用​​：接收并仲裁所有中断请求（IRQ），并根据优先级决定是否响应中断。NVIC的关键操作​​：自动计算中断向量地址并触发 CPU 跳转
  • 各处理函数采用弱符号机制，用户可以自定义函数覆盖掉它们。在编译阶段实现这种覆盖。
    
  • 对于复位处理函数，则比较特殊。如前面所说，CPU上电后会直接：
    • CPU上电从0x08000000读取SP值初始化栈指针
    • 从0x08000004读取reset_handler地址并跳转执行（也就意味着，rest_handler是是CPU复位后执行的第一段机器代码，负责系统的启动工作）
• 设计意义：
  • 提供硬件与软件的异常处理接口
  • 允许灵活重定向中断处理函数
  • 通过弱定义(#pragma weak)支持用户自定义处理

2.1 中断向量表结构

在cm3（Cortex - M3 架构）目录下，定义了基础的向量表结构

/** Type of an interrupt function. Only used to avoid hard-to-read function
 * pointers in the efm32_vector_table_t struct. */
typedef void (*vector_table_entry_t)(void);	//

typedef struct {
   
   
	unsigned int *initial_sp_value; /** 初始栈顶位置 */
	vector_table_entry_t reset;
	vector_table_entry_t nmi;
	vector_table_entry_t hard_fault;
	vector_table_entry_t memory_manage_fault; /* not in CM0 */
	vector_table_entry_t bus_fault;           /* not in CM0 */
	vector_table_entry_t usage_fault;         /* not in CM0 */
	vector_table_entry_t reserved_x001c[4];
	vector_table_entry_t sv_call;
	vector_table_entry_t debug_monitor;       /* not in CM0 */
	vector_table_entry_t reserved_x0034;
	vector_table_entry_t pend_sv;
	vector_table_entry_t systick;
	vector_table_entry_t irq[NVIC_IRQ_COUNT];
} vector_table_t;

创建向量表实例，链接到.vectors段

__attribute__ ((section(".vectors")))	//__attribute__ 是GCC的扩展语法，用于指定变量、函数或类型的特殊属性
vector_table_t vector_table = {
   
   
    .initial_sp_value = &_stack,    // 初始栈指针
    .reset = reset_handler,         // 复位处理函数
    .nmi = nmi_handler,             // NMI中断
    .hard_fault = hard_fault_handler, // 硬错误
    
    // Cortex-M3/M4特有异常
    #if defined(__ARM_ARCH_7M__) || defined(__ARM_ARCH_7EM__)
    .memory_manage_fault = mem_manage_handler,
    .bus_fault = bus_fault_handler,
    .usage_fault = usage_fault_handler,
    .debug_monitor = debug_monitor_handler,
    #endif
    
    .sv_call = sv_call_handler,     // 系统调用
    .pend_sv = pend_sv_handler,     // PendSV中断
    .systick = sys_tick_handler,    // SysTick中断
    .irq = {
   
   IRQ_HANDLERS}           // 外设中断向量
};

关键特性：

• 使用.vectors段确保位于Flash起始(0x08000000)
• IRQ_HANDLERS由平台特定代码填充（如STM32F1的nvic.c）

2.2 复位处理函数详解(reset_handler)

void __attribute__ ((weak)) reset_handler(void)		//__attribute__((weak))​​: 声明为弱符号。若其他文件中定义了同名函数，链接器将优先使用强符号版本（允许自定义复位函数覆盖默认实现）。
{
   
   
	volatile unsigned *src, *dest;
	funcp_t *fp;
	
    // 1. 初始化.data段（复制Flash→RAM）
    for (src = &_data_loadaddr, dest = &_data; 
         dest < &_edata; 
         src++, dest++) {
   
   
        *dest = *src;
    }
    
    // 2. 清零.bss段
    while (dest < &_ebss) {
   
   
        *dest++ = 0;
    }
    
    // 3. 配置堆栈对齐（8字节）
    SCB_CCR |= SCB_CCR_STKALIGN;
    
    // 4. 平台预初始化
    pre_main();
    
    // 5. 执行C++全局构造函数
    for (fp = &__preinit_array_start; fp <