STM32启动文件startup_stm32f10x_hd.s代码逐行解析

本文详细解析 STM32F10x 工程的启动文件 startup_stm32f10x_hd.s 中的汇编代码，无论你使用哪个工程，都能找到它的身影。理解启动文件，是深入掌握 STM32 运行机制的必经之路。

启动文件使用的ARM汇编指令汇总

先来看一张常用汇编指令表，方便查阅：

Stack——栈

栈的初始化代码如下：

Stack_Size      EQU     0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

这段代码开辟了大小为 0x00000400（1KB）的栈空间，段名为 STACK。属性 NOINIT 表示不进行初始化，READWRITE 说明可读可写，ALIGN=3 则是按 8（即 2^3）字节对齐。

栈主要用于局部变量、函数调用时的参数传递等开销。要注意栈的大小不能超过内部 SRAM 的总容量。
如果你的程序规模很大，定义了非常多的局部变量，就得适当调大 Stack_Size。你是否遇到过这样的情况：程序跑着跑着莫名奇妙地进入了硬错误（HardFault）？那时候，就该怀疑是不是栈空间不足，溢出了。

下面对涉及的指令做个简要说明：  

• EQU：宏定义伪指令，功能类似于 C 语言中的 #define。  
• AREA：告诉汇编器开始一个新的代码段或数据段。后面的 STACK 是段名，可自定义；NOINIT、READWRITE 是属性；ALIGN=3 表示 8 字节对齐。  
• SPACE：分配指定字节大小的内存空间，这里分配的大小等于 Stack_Size。  
• __initial_sp 标号紧挨着 SPACE 语句，它代表栈的结束地址，也就是栈顶。栈的生长方向是由高地址向低地址。

Heap——堆

堆的初始化与栈类似，它开辟了 0x00000200（512 字节）的空间，段名为 HEAP，同样不初始化、可读可写且按 8 字节对齐。其中 __heap_base 指向堆的起始地址，__heap_limit 则表示堆的结束地址。

堆的用处是动态内存分配，像 C 语言中 malloc() 申请的内存就是从堆上来的。不过，在 STM32 这种资源有限的单片机开发中，动态分配用得相对较少。注意堆是由低地址向高地址生长的，这一点和栈正好相反。

接着看两条指令：

PRESERVE8
THUMB

• PRESERVE8：指定当前文件中的堆栈需按 8 字节对齐。  
• THUMB：声明随后的指令兼容 THUMB 指令集。早期的 THUMB 是 16 位指令集，如今 Cortex-M 系列核心都采用 32 位的 THUMB-2 指令集，它兼容 16 位和 32 位指令，可以看作是 THUMB 的超集。（关于堆栈的深入讲解，可参考此文：关于C语言堆栈的经典讲解）

向量表

接下来定义向量表所用的数据段：

AREA    RESET, DATA, READONLY
EXPORT  __Vectors
EXPORT  __Vectors_End
EXPORT  __Vectors_Size

这里定义了一个名为 RESET 的只读数据段，并通过 EXPORT 声明了 __Vectors、__Vectors_End、__Vectors_Size 三个全局标号，便于外部文件引用。

EXPORT：可将一个标号声明为全局属性，供其他文件调用。如果换作 IAR 编译器，对应的指令则是 GLOBAL。

当内核响应某个异常时，会执行对应的异常服务例程（ESR）。为了找到 ESR 的入口地址，内核采用“向量表查表机制”。
向量表本质上是一个 32 位整型（WORD）数组，每个下标对应一种异常，该下标位置存放的值就是对应 ESR 的入口地址。向量表在地址空间中的位置可通过 NVIC 内的重定位寄存器来设定，复位后，该寄存器值为 0。所以，在地址 0（即 Flash 起始处）必须放置一张向量表，用于初始的异常分配。

这里有一点很特别：向量表的 0 号位置存放的不是入口地址，而是复位后主堆栈指针（MSP）的初始值。下面是 F103 系列中断向量表的截图：

向量表的具体定义代码如下：

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; 栈顶地址
                DCD     Reset_Handler               ; 复位程序地址
                DCD     NMI_Handler
                DCD     HardFault_Handler
                DCD     MemManage_Handler
                DCD     BusFault_Handler
                DCD     UsageFault_Handler
                DCD     0                           ; 0 表示保留
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     SVC_Handler
                DCD     DebugMon_Handler
                DCD     0
                DCD     PendSV_Handler
                DCD     SysTick_Handler
                ; 外部中断开始
                DCD     WWDG_IRQHandler
                DCD     PVD_IRQHandler
                DCD     TAMPER_IRQHandler
                ; 限于篇幅，中间代码省略
                DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler
                DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler
                DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler
__Vectors_End

__Vectors_Size  EQU     __Vectors_End - __Vectors

__Vectors 是向量表起始地址，__Vectors_End 是结束地址，两者相减即可算出整个向量表的大小。

这张表从 Flash 的 0 地址开始，每个向量占 4 个字节。地址 0 处放栈顶地址，0x04 处放复位程序地址，以此类推。从代码中可以看到，向量表里存储的都是中断服务函数的名字，而 C 语言的函数名本质上就是一个地址。

DCD：分配一个或多个以字为单位的内存（4 字节对齐），并用指定的值进行初始化。在这里，DCD 就是分配内存并用各 ESR 的入口地址来初始化。

复位程序

复位程序的代码段定义如下：

AREA    |.text|, CODE, READONLY

这行代码定义了一个名为 .text 的只读代码段。其主体部分如下图所示：

复位子程序是系统上电后最先执行的代码，它先调用 SystemInit 来初始化系统时钟，再调用 C 库函数 __main，最终引导程序进入 C 语言世界里的 main 函数。

对其中用到的指令和标号：  

• WEAK：表示弱定义。如果外部文件已定义同名标号，则优先使用外部的；如果外部没定义，也不报错。这表明复位子程序完全可以由用户在其他文件中重新实现，这里提供的只是一个默认版本。  
• IMPORT：声明标号来自外部文件，作用类似于 C 的 extern。这里的 SystemInit 和 __main 都来自外部。  
• SystemInit() 是一个标准库函数，定义在 system_stm32f10x.c 文件中，主要负责配置系统时钟。调用它之后，STM32 的主频一般就被配成了 72MHz。  
• __main 是标准的 C 库函数，主要任务就是初始化用户堆栈，并在最后拉起 main 函数。这也就解释了为什么我们写的程序都必须有一个 main 函数。

LDR、BLX、BX 都是 CM4 内核的指令，你可以在《CM3 权威指南 CnR2》的指令集章节查到。下图汇总了它们的作用：

中断服务程序

启动文件已经替我们写好了所有中断对应的服务函数。不同之处在于，这些函数体都是空的，真正的服务逻辑需要我们自己在外部 C 文件里重新实现，这里的空函数仅仅是为了占个位置。

如果在使用某个外设时使能了中断，却忘了编写配套的中断服务函数，或者把函数名写错了，一旦中断到来，程序就会跳进启动文件里预先定义好的空函数，并陷入死循环——说白了，程序就卡死在这里了。

NMI_Handler                PROC
                EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP
; 限于篇幅，中间代码省略
SysTick_Handler            PROC
                EXPORT  SysTick_Handler            [WEAK]
                B       .
                ENDP

Default_Handler            PROC

                EXPORT  WWDG_IRQHandler            [WEAK]
                EXPORT  PVD_IRQHandler             [WEAK]
                EXPORT  TAMP_STAMP_IRQHandler      [WEAK]
; 限于篇幅，中间代码省略
LTDC_IRQHandler
LTDC_ER_IRQHandler
DMA2D_IRQHandler
                B       .
                ENDP

B：跳转到指定标号。此处的 B . 就是跳转到一个点号，也就是当前地址，从而形成一个死循环。

用户堆栈初始化

先看一行对齐指令：

ALIGN

ALIGN：让后续指令或数据的存放地址对齐。它后面通常会跟一个立即数，若省略则默认按 4 字节对齐。需要注意，这是一个编译器指令，并非 ARM 的标准汇编指令。在计算机基础的底层概念中，结构对齐和内存对齐是保障硬件高效访问的关键机制。

初始化用户堆栈的完整逻辑：

; 用户栈和堆初始化, 由 C 库函数 __main 来完成
IF      :DEF:__MICROLIB
                EXPORT  __initial_sp
                EXPORT  __heap_base
                EXPORT  __heap_limit
                ELSE
                IMPORT  __use_two_region_memory
                EXPORT  __user_initial_stackheap

__user_initial_stackheap
                LDR     R0, = Heap_Mem
                LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
                LDR     R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
                LDR     R3, = Stack_Mem
                BX      LR
                ALIGN
                ENDIF
                END

这段代码首先会检查是否定义了 __MICROLIB 这个宏。  

• 如果定义了，则把 __initial_sp（栈顶地址）、__heap_base（堆起始地址）、__heap_limit（堆结束地址）声明为全局，让 C 库函数 __main 来完成堆栈初始化。  
• 如果没有定义，就采用双段存储器模式，并声明 __user_initial_stackheap 为全局属性，让用户自行完成堆栈的初始化。

__MICROLIB 是 Keil MDK-ARM 中的一个专用简版 C 库，开启位置如下图所示：

有关此段汇编代码，还需留意：  

• IF, ELSE, ENDIF：汇编中的条件分支语句，逻辑类似于 C 语言的 if...else。  
• END：文件结束标记。

至此，STM32 启动文件的骨架已梳理完毕。当你下次遇到上电不跑、中断卡死这些奇怪症状时，不妨回过头来检查一下这些最底层的初始化代码，也许问题的答案就藏在某一个不起眼的标号或内存分配里。