单片机启动流程介绍

1. 硬件读取BOOT引脚

BOOT0 和 BOOT1 的作用

BOOT0 和 BOOT1 引脚的不同组合决定了芯片启动时映射到 0x00000000 的存储器区域。具体组合如下：

BOOT1	BOOT0	启动模式	映射到 `0x00000000` 的存储器区域	物理介质类型
x	0	主闪存（Main Flash）启动	主闪存起始地址 `0x08000000`	内部NOR Flash
0	1	系统存储器（System Memory）启动	系统存储器起始地址 `0x1FFF0000`	内部NOR Flash
1	1	内置 SRAM 启动	内置 SRAM 起始地址 `0x20000000`	SRAM

关键特性对比：

主闪存：可读写NOR Flash，存储用户程序
系统存储器：只读NOR Flash，存储厂商Bootloader，也称bootROM
内置SRAM：易失性存储器，需预先加载代码

硬件启动逻辑的作用：

仅根据BOOT引脚电平进行存储器映射
不区分Bootloader和用户程序
映射完成后立即从0x00000000开始执行

2. MCU总线与存储器架构

2.1 Cortex-M存储器映射

graph LR
    0x00000000-0x1FFFFFFF[Code区域] --> ICode[I-Code总线]
    0x00000000-0x1FFFFFFF[Code区域] --> DCode[D-Code总线]
    0x20000000-0x3FFFFFFF[SRAM区域] --> System[System总线]
    0x40000000-0x5FFFFFFF[外设区域] --> System[System总线]
    0xE0000000-0xFFFFFFFF[内核外设] --> PPB[PPB总线]

2.2 总线架构详解

I-Code总线：
- 专用于指令取指和向量表读取
- 支持突发传输和预取优化
- 只读访问，不可写
D-Code总线：
- 用于常量数据访问（.const段）
- 支持读写操作
- 与I-Code并行工作提高效率
System总线：
- 处理SRAM和外设访问
- 支持所有读写操作
- 带宽低于I/D-Code

2.3 存储器访问特性

// 不同存储区域的访问方式
void *code_ptr = (void*)0x08001234; // I-Code访问（指令）
const uint32_t *data_ptr = (uint32_t*)0x08005678; // D-Code访问（常量）
volatile uint32_t *reg_ptr = (uint32_t*)0x40021000; // System访问（外设）

3. 三种不同启动模式的区别

3.1 启动中的关键组件

中断向量表

Cortex-M架构规范：

typedef struct {
    uint32_t initial_sp;    // 初始堆栈指针
    void (*reset_handler)(void); // 复位处理函数
    void (*nmi_handler)(void);   // NMI处理函数
    // ...其他中断向量
} VectorTable;

Bootloader

功能分类：

内置Bootloader（系统存储器中）：
- 支持USART/USB/CAN等接口的固件更新
- 提供有限的硬件初始化
自定义Bootloader（用户Flash中）：
- 支持OTA升级
- 可包含加密验证功能
- 提供更完整的硬件初始化

Startup File

典型启动文件流程（startup_stm32fxxx.s）：

Reset_Handler:
    LDR     R0, =__initial_sp    ; 再次初始化SP
    MSR     MSP, R0
    BL      SystemInit           ; 系统时钟初始化
    BL      __main               ; C库初始化
    B       main                ; 跳转到用户程序

3.2 启动模式详细流程

从主闪存启动（BOOT0=0）

执行流程图：

sequenceDiagram
    硬件->>+主闪存: 映射0x08000000→0x00000000
    硬件->>+主闪存: 读取向量表
    硬件->>CPU: 初始化MSP并跳转
    CPU->>Startup: 执行Reset_Handler
    Startup->>SystemInit: 时钟配置
    Startup->>__main: C库初始化
    __main->>main: 进入用户程序

从系统存储器启动（BOOT0=1, BOOT1=0）

特殊考虑：

内置Bootloader通常不初始化所有外设

跳转到用户程序前需手动配置：

void jump_to_app(uint32_t app_addr) {
    __disable_irq();
    SCB->VTOR = app_addr;
    __set_MSP(*(uint32_t*)app_addr);
    ((void(*)(void))*(uint32_t*)(app_addr+4))();
}

从内置SRAM启动（BOOT0=1, BOOT1=1）

代码加载方式：

通过调试器直接写入

通过其他Bootloader加载：

void load_to_sram(uint8_t *src, uint32_t size) {
    memcpy((void*)0x20000000, src, size);
    __DSB(); // 确保数据同步
}

从外部NAND Flash/SD卡启动

这种方式比较特殊，实际上还是一般还是从系统存储器（bootROM）启动，这里存储了bootloader，将bootloader的关键部分（至少要到初始化外部flash的部分）载入

特殊启动流程：

sequenceDiagram
    ROM Code->>NAND Flash: 1.初始化NAND控制器
    ROM Code->>SRAM: 2.加载前4KB代码
    SRAM->>SRAM: 3.执行初始引导程序
    SRAM->>DDR: 4.初始化内存控制器
    SRAM->>NAND Flash: 5.加载完整程序
    SRAM->>DDR: 6.复制到DDR内存
    SRAM->>DDR: 7.跳转到主程序

关键限制：

NAND Flash无法直接执行代码(XIP)
必须通过SRAM中转加载
需要专用控制器处理坏块和ECC

3.3 启动模式对比总结

特性	主闪存启动	系统存储器启动	SRAM启动	外部NAND启动
执行位置	NOR Flash	NOR Flash	SRAM	DDR/SRAM
是否需要加载	否	否	是	是
XIP支持	是	是	是	否
典型用途	正常运行模式	固件更新模式	调试/特殊模式	大容量系统

4. Cortex-M与Cortex-A启动对比

关键差异：

特性	Cortex-M	Cortex-A
向量表位置	固定地址	由OS动态设置
初始化主体	Startup File	Bootloader
典型Bootloader	简单（内置/自定义）	复杂（如U-Boot）
多阶段启动	可选	必需
MMU使用	无/简单MPU	必需

5. 常见问题解答

Q1：中断向量表为何要两次初始化SP？

硬件初始化：确保最早期的函数调用可用
软件初始化：允许动态调整堆栈位置和大小

Q2：NOR Flash和NAND Flash在启动中的本质区别？

// NOR Flash执行（直接访问）
void (*nor_func)() = (void(*)())0x08001234;
nor_func();

// NAND Flash执行（需加载）
memcpy(0x20001000, nand_data, size);
void (*nand_func)() = (void(*)())0x20001000;
nand_func();

Q3：总线矩阵如何提升性能？

graph TB
    CPU -->|I-Code| Flash[指令读取]
    CPU -->|D-Code| Flash[常量读取]
    Flash -->|并行传输| CPU

6. 补充技术细节

Flash加速技术：

STM32 ART Accelerator：
- 实现等效0等待周期执行
- 128位预取缓冲机制

安全启动考虑：

graph TD
    Bootloader -->|验证签名| Firmware
    Firmware -->|加密存储| Flash
    Flash -->|安全加载| SRAM

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