【单片机开发】MCU三种启动方式(Boot选择)[主Flash/系统存储器(BootLoader)/嵌入式SRAM]

参考资料：

利用 Boot 选择不同的启动方式：

单片机的存储结构(主 FLASH/系统存储器/嵌入式 SRAM)：

1. Cortex-M 内核芯片——启动原理：

1.1. 启动流程：

1.2. 根据单片机的存储器映射和架构图：启动空间必须在代码区域（0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF）

1.3. 地址映射原理：存储器别名(memory alias)“技术

1.3.1. 举例

1.3.2. 引出一个问题：为什么可以从其他地址读 0x0000 0000 的中断向量表

1.3.3. 那么新的问题来：（怎么规定/配置内存重映射）

1.3.4. 问题：既然设置到0x0800 0000这么麻烦，为什么不直接使用0x0000 0000？

2. 根据不同的启动方式：会将配置的启动地址(主 FLASH/系统存储器/嵌入式 SRAM)映射到 0x0000 0000(系统中断向量表) 上

2.1. 从系统存储器(System Memory)启动：

2.2. 从主 Flash(Main Flash Memory)启动：这个是平时使用最多的方式，将程序下载到STM32内部Flash，然后从Flash启动。

【不是问题的问题】为什么STM32的Flash地址要设置到0x08000000 - STM32H7 - 硬汉嵌入式论坛 - Powered by Discuz!

2.3. 从嵌入式 SRAM 启动（内部 SRAM）：【比较好奇】

2.3.1. 为什么可以从 SRAM 启动：

至于为什么STM32还能从SRAM启动，ST官方资料https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/59/b9/ba/7f/11/af/43/d5/CD00171190.pdf/files/CD00171190.pdf/jcr:content/translations/en.CD00171190.pdf中的3.4节给出的说明是：

请注意：从SRAM启动与在SRAM中运行代码是两个不同的概念。

2.3.2. 为什么需要从SRAM启动【应用】

2.3.3. 从 SRAM 启动：

实现原理：

实现步骤：MCU的三种启动方式 - EdgeAI Lab

2.3.4. 【补充】在 SRAM 中运行代码：

实现步骤：在SRAM中运行代码 - EdgeAI Lab

参考资料：

MCU的三种启动方式 - EdgeAI Lab

立芯嵌入式的视频

在SRAM中运行代码 - EdgeAI Lab

【不是问题的问题】为什么STM32的Flash地址要设置到0x08000000 - STM32H7 - 硬汉嵌入式论坛 - Powered by Discuz!

还有一些在标题附近

利用 Boot 选择不同的启动方式：

单片机的存储结构(主 FLASH/系统存储器/嵌入式 SRAM)：

如上图所示，STM32内部：

一共有两块物理存储设备

- 内部 Flash
- 内部 SRAM

三块存储区域

- Main Flash Memory ——正常单片机启动方式(0x0800 0000~0x0807 FFFF)
- System Memory ——一般存有 BootLoader 程序(0x1FFF 0000~0x1FFF 7A0F)

一般系统存储器又叫 BootROM

- SRAM ——比较特殊，在不想影响 FLASH 程序下调试可用(0x2000 0000)

一般调试用，因为断电后数据会消失

- 这三块存储区域也就是STM32的三个启动空间。

1. Cortex-M 内核芯片——启动原理：

1.1. 启动流程：

【不是问题的问题】为什么STM32的Flash地址要设置到0x08000000 - STM32H7 - 硬汉嵌入式论坛 - Powered by Discuz!

M3，M4内核芯片上电复位后，要固定从0x0000 0000地址读取中断向量表
获取复位中断服务程序的入口地址后，进入复位中断服务程序

其中0x0000 0000是栈顶地址，0x0000 0004存的是复位中断服务程序地址

1.2. 根据单片机的存储器映射和架构图：启动空间必须在代码区域（0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF）

存储器指可以存储数据的设备(FLASH/SRAM/ROM)，本身没有地址信息，对存储器分配地址的过程称为存储器映射

单片机默认启动方式：

- Cortex®-M3 CPU上电后（开始找中断向量表）

- - 默认从0x0000 0000地址处取得栈顶地址（MSP）
  - 通过ICode bus从0x0000 0004地址处取得PC的值（复位向量）
  - 然后开始执行代码（进入复位中断服务程序）

因为ICode bus只能访问代码区域（0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF），所以启动空间必须在代码区域

【ICode 总线】

1.3. 地址映射原理：存储器别名(memory alias)“技术

1.3.1. 举例

STM32内部Flash就位于代码区域（采用从主 FLASH 启动方式），并且通过“ 存储器别名(memory alias)“技术

代码区域——(0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF)

主 FLASH——(0x0800 0000~0x0807 FFFF)

- 可以将STM32的Main Flash Memory的地址空间0x0800 0000 ~ 0x0801 FFFF映射到0x0000 0000 ~ 0x0001 FFFF，对于System memory也是同样的道理。所以STM32可以从Main Flash Memory和System memory启动。

1.3.2. 引出一个问题：为什么可以从其他地址读 0x0000 0000 的中断向量表

既然ARM规定了M3，M4内核要从地址0x0000 0000读取中断向量表，而STM32设置Flash地址到0x0800 0000怎么办？

解决方法：

- STM32支持了个内存重映射功能，将地址0x0800 0000开始的内容重映射到首地址0x0000 0000中，这样就解决了从0x0000 0000读取中断向量表的问题。

1.3.3. 那么新的问题来：（怎么规定/配置内存重映射）

你怎么保证0x08000 0000首地址存的就是中断向量表，我们不可以随意设置吗？
解决方法：

- 保证中断向量表存到0x0800 0000，这个涉及到分散加载的一个小知识
- 以MDK为例：

- - 如果大家看xxx.S启动文件，里面通过AREA定义了一个名叫RESET的段，这段存的就是中断向量表。

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

- - 这个名字很重要，MDK对应的xxx.sct分散加载里面通过下面这句将这个RESET段放在了0x0800 0000优先存储。

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************

LR_IROM1 0x08000000 0x00200000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x08000000 0x00200000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM2 0x24000000 0x00080000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}

- - 这样我们就解决了0x0800 0000首地址存储中断向量表，一旦程序开始运行后，我们就可以随意设置中断向量表的位置了。
  - 比如想将中断向量表存到内部SRAM，我们就可以操作寄存器SCB->VTOR 重新安排，然后将0x0800 0000的内容复制到设置的地址内即可。【上电启动后，改为从内部 SRAM 启动】

1.3.4. 问题：既然设置到0x0800 0000这么麻烦，为什么不直接使用0x0000 0000？

因为我们需要从不同的地址启动，以达到不同的启动程序（BootLoader 程序/正常 APP 应用程序）
M3、M4 内核：

M7 内核

2. 根据不同的启动方式：会将配置的启动地址(主 FLASH/系统存储器/嵌入式 SRAM)映射到 0x0000 0000(系统中断向量表) 上

2.1. 从系统存储器(System Memory)启动：

System Memory中是ST预置的bootloader程序，用于通过串口下载用户程序到Flash。

一般系统存储器启动的话会存放 BootLoader 程序

程序下载完毕后，重新将启动模式设置为 “从Flash启动” ，然后开机运行用户程序。

【BootLoader】当选择系统存储器启动，从 0x0000 0000 跳转至对应地址启动（映射），

我们可以提前在系统存储器写入 BootLoader 程序（各种通信接口）的，然后以该方式启动

此时用 IAP 下载工具烧录程序，单片机执行 BootLoader 程序，会以对应的通信接口返回指定数据，符合通信要求后(收发特定数据)。

IAP 下载工具开始发送烧录程序(hex 文件)，由单片机的 BootLoader 程序（利用对应通信接口）一一接收，然后逐个刷新到 Flash 上(Flash memory-主 Flash[0x0800 0000 - 0x0807 FFFF = 512KB 标定大小 ])，

一般出厂会自带 Boot 程序，一般系统存储器又叫 BootROM

2.2. 从主 Flash(Main Flash Memory)启动：这个是平时使用最多的方式，将程序下载到STM32内部Flash，然后从Flash启动。

【不是问题的问题】为什么STM32的Flash地址要设置到0x08000000 - STM32H7 - 硬汉嵌入式论坛 - Powered by Discuz!

还是将 0x0800 0000 映射到 0x0000 0000（由 AHB 总线映射）

2.3. 从嵌入式 SRAM 启动（内部 SRAM）：【比较好奇】

在SRAM中运行代码 - EdgeAI Lab

2.3.1. 为什么可以从 SRAM 启动：

至于为什么STM32还能从SRAM启动，ST官方资料https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/59/b9/ba/7f/11/af/43/d5/CD00171190.pdf/files/CD00171190.pdf/jcr:content/translations/en.CD00171190.pdf中的3.4节给出的说明是：

STM32F10xxx微控制器实现了一个特殊的机制使得STM32不仅能够从Flash memory 和 System memory启动，也能够从SRAM启动。从内嵌SRAM启动：SRAM仅能在地址0x2000 0000处被访问。

STM32F10xxx microcontrollers implement a special mechanism to be able to boot also from SRAM and not only from main Flash memory and System memory.Boot from the embedded SRAM: SRAM is accessible only at address 0x2000 0000.

以上说明并不清楚，ST官方对此含糊其辞，从SRAM启动的具体细节无从知晓，但是通过实验我们发现：

将STM32设置为从SRAM启动（a. 配置启动模式引脚BOOT0=1，BOOT1=1；b. 并修改链接脚本将所有代码全部放入SRAM中）
系统复位后PC指针总是指向0x2000 0108。
所以我们在地址0x2000 0108插入设置SP指针和PC指针的指令就可以实现从SRAM启动了。

请注意：从SRAM启动与在SRAM中运行代码是两个不同的概念。

从SRAM启动：

- 也属于在SRAM中运行代码，但不同的是程序下载到SRAM后，在MCU不断电的情况下，程序可以一直运行，并且按下复位键后可以重新运行。

在SRAM中运行代码：

- 将所有的代码放到SRAM运行，此时MCU的启动模式可以是从Main Flash Memory启动
- 将部分代码放到SRAM运行，此时MCU的启动模式可以是从Main Flash Memory启动
- 关于在SRAM中运行代码，请参考这篇文章：在SRAM中运行代码 - EdgeAI Lab

2.3.2. 为什么需要从SRAM启动【应用】

可能的原因有以下几点（参考资料《ARM Cortex M3 & M4权威指南》15.7节MCU经典书籍 - EdgeAI Lab）：

所使用的设备可能具有OTP ROM（仅可进行一次编程），因此在最终确定前，是不会将程序编程到芯片中的。
有些微控制器中没有内部Flash存储器，需要使用外部的存储器，在软件开发期间，可能会想用内部的SRAM进行测试。
对于产品测试或者特定方面的测试，不想改动Flash中现有的程序实现某些新功能的测试工作，此时可以将测试代码下载到SRAM中运行。【在 Flash 烧一次后，不想改变现有 Flash 程序，但是想调试，可以利用 SRAM 空间进行调试】
对于Flash存储器比较小的系统，可能想在启动阶段将程序从Flash复制到SRAM中以提高性能，并在SRAM中执行程序以达到最佳性能。
在 SRAM 中也是可以放一个小的 BootLoader 程序，也可以搞 IAP 下载【应用案例：Jlink 下载算法启动后跑到 SRAM 中】

2.3.3. 从 SRAM 启动：

实现原理：

还是将 0x2000 0000 映射到 0x0000 0000（由 AHB 总线映射）

实现步骤：MCU的三种启动方式 - EdgeAI Lab

拿 M3(F103C8T6，RAM大小为20K) 举例

修改启动模式

将引脚BOOT0，BOOT1都设置为1，将STM32配置为从SRAM启动。

设置中断向量表偏移

添加宏定义 VECT_TAB_SRAM

该宏定义影响的代码：

// system_stm32f10x.c
// SystemInit()
#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif

修改启动代码

按照如下所示修改startup_stm32f10x_md.s文件

; 此处省略n行代码

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
; 此处修改AREA    RESET, DATA, READONLY 为 AREA    RESET, CODE, READONLY
                AREA    RESET, CODE, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler

                ; 此处省略n行代码

                DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend

; 下面是需要新添加的内容:
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                LDR       R0, =0x20000000
                LDR     SP,[R0]
                LDR     R0, =0x20000004 
                LDR       PC,[R0]
                ALIGN 4
; 以上是需要添加的代码

; 此处省略n行代码

修改链接脚本

按照下图所示方式，即可在Keil编辑器中打开链接脚本：

打开链接脚本文件后，将内容修改如下：

; 以STM32F103C8T6为例
; 从SRAM启动终端向量表（RESET段）必须位于启动空间的0地址
; InRoot$$Sections 必须位于root区域（执行地址与装载地址相同的区域）

LR_IROM1 0x20000000 0x00005000  { ;装载地址为SRAM首地址
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00005000  { ;执行地址==装载地址
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}