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STM32F103之存储/启动流程

ai 2025/7/12 15:03:27

一、存储器介绍

根据掉电留存特性，分为易失性存储器与非易失性存

易失性存储器(RAM):

<1>动态随机存储(DRAM):依靠电容存储电荷记录数据，需定期刷新维持电荷，避免数据丢失。因集成度高、成本低，是计算机主存核心
①SDRAM：同步工作模式，与系统时钟同步读写，提升数据传输效率
②DDR 系列:沿 “双倍数据速率” 演进，频率、带宽逐步提升，像 DDR4 比初代 DDR 传输速度、能效比大幅优化，为游戏、高性能计算等场景提供高速内存支持。
<2>静态随机存储(SRAM):用触发器电路存储数据，无需刷新，速度远快于 DRAM ，但集成度低、成本高。多作为CPU 高速缓存（Cache），让 CPU 快速调取高频数据 / 指令，减少主存等待时间，提升整机运算效率

非易失性存储器(ROM):

<1>ROM（只读存储器）
①MASK ROM：出厂时数据由厂商掩膜工艺固化，不可修改，常用于存储固定程序（如早期主板 BIOS基础代码）。
②PROM（可编程 ROM）：用户可一次性编程写入数据，写入后不可更改。
③OTPROM（一次性可编程）：用户可自行写入一次数据，写入后无法更改，适合定制化、无需更新的简单程序存储。
④EPROM：通过紫外线照射擦除数据，可多次编程，但擦写需专用设备、操作复杂，渐被替代。
⑤EEPROM：电擦除特性，支持在线改写，像早期手机、U 盘里的小容量存储，用于保存配置信息
<2>Flash（闪存）
基于 EEPROM 技术优化，按存储架构分：
①NOR FLASH：随机读写性能好，可像内存一样按字节 / 字访问，适合存储程序代码（如嵌入式系统固件），能快速执行指令。
②NAND FLASH：侧重大容量、高写入速度，以页 / 块为单位读写，成本低，是固态硬盘（SSD）、U盘、存储卡的核心存储介质，满足海量数据存储与读写需求

二、STM32存储简介

2.1 STM32的FLASH

STM32单片机内部的FLASH为 NOR FLASH。Flash 相对容量大，掉电数据不丢失，主要用来存储代码，以及一些掉电不丢失的用户数据；内部的 RAM 为 SRAM。无需刷新，功耗较低，RAM相对容量小，速度快，掉电数据丢失，其作用是用来存取各种动态的输入输出数据、中间计算结果以及与外部存储器交换的数据和暂存数据。

2.2 STM32的RAM

特点：易失性存储（掉电数据丢失），读写速度快，用于临时存储运行时数据。
功能：
① 存储程序运行时的变量、堆栈（函数调用时的临时数据）。
② 作为数据缓冲区（如 ADC 采样数据、DMA 传输缓存）。
③ 部分场景下可将代码映射到 RAM 中运行（如需要高速执行的关键代码）。
分类：
①SRAM（静态 RAM）：STM32 内部主要使用 SRAM，无需刷新，功耗较低。
②DRAM（动态 RAM）：部分高端型号（如 STM32H7）可能集成少量 DRAM，用于高速缓存。
示例：STM32F10xxx内置64K字节的静态SRAM。它可以以字节、半字(16位)或全字(32位)访问。SRAM的起始地址是0x2000 0000

2.3 STM32系统存储：0x1FFF F000

内嵌的自举程序(BootLoader)存放在系统存储区，由ST在生产线上写入，用于通过可用的串行接口对闪存存储器进行重新编程

ICP:通过芯片标准的硬件调试接口（通常是 SWD 或 JTAG）对芯片进行编程。编程工具（如 ST-LINK, J-Link, U-Link 等调试器/编程器）直接连接到这些接口引脚
ISP:利用芯片内部固化的 Bootloader（引导加载程序）通过标准的通信接口（如 USART, USB, CAN, I2C, SPI 等）对芯片进行编程
IAP:用户应用程序（正在运行的程序）自身通过软件方法对 Flash 存储器（主要是包含自身或其他区域的用户 Flash）进行修改、擦除和重新编程

三、存储属性

STM32的RAM上有RW和ZI两个属性区，里边包含了data，bss，堆（heap），栈（stack）这几个数据段。这里是程序运行的所在。Flash中有RO区，包含了text、constdata和data三个段，这里则是程序本体所在

四、存储变化

4.1 下载阶段

程序编译后生成可执行文件（如 bin、hex 格式），通过下载器（J - Link、ST - Link 等），将文件内容（包含Code（代码指令）、RO-data（只读数据，像常量）、RW-data（已初始化的全局 / 静态变量））烧录到 STM32 内部 Flash 中。因 ZI - data（未初始化 / 初始化为 0 的全局 / 静态变量）全为 0，无需占用 Flash 空间，故下载时 Flash 存储 Code + RO-data + RW-data

4.2 上电阶段

Flash 数据：程序运行中，Flash 存储的 Code（CPU 执行的指令代码，直接从 Flash 读取执行）、RO - data（只读，持续存于 Flash ）、RW - data（仅作为初始值来源，运行时会被拷贝到 RAM ），Flash 自身数据除程序更新外，运行中一般不改变（若程序有主动擦写 Flash 操作除外，比如存储掉电需保存的数据）
RAM 数据：上电后，启动代码（startup 文件）会执行
①搬运 Flash 里的 RW - data 到 RAM 对应区域（因 RAM 掉电丢数据，需从 Flash 取初始值）
②把 RAM 中 ZI - data 对应区域清零（初始化未赋值 / 赋 0 的全局、静态变量）
③程序运行时，RAM 动态存储栈数据（函数调用、局部变量）、堆数据（动态内存分配，如malloc 申请），以及被修改的全局 / 静态变量，随程序执行实时变化

简单说，下载时 Flash 存 “代码 + 只读数据 + 变量初始值”；上电后，Flash 保留代码和只读数据， RAM 则载入变量初始值、清零未初始化区域，再动态存运行时数据

程序占用 Flash = Code + RO data + RW data
程序运行时候占用 RAM = RW data + ZI data
Code + RO data + RW data 的大小也是生成的 bin 文件的大小

五、启动模式

<1> 主闪存存储器(Main Flash)启动：从STM32内置的Flash启动(0x0800 0000-0x0807 FFFF)，一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面，重启后也直接从这启动程序。以0x08000000对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x08000000 操作，且都是操作的同一块内存

<2> 系统存储器(System Memory)启动：从系统存储器启动(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF)，这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说，我们选用这种启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的ISP程序中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个ISP程序将用户程序下载到系统的Flash中。以0x1FFFF000对应的内存为例，则该块内存既可以通过0x00000000 操作也可以通过0x1FFFF000操作，且都是操作的同一块内存

<3> 片上SRAM启动：从内置SRAM启动(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，这个模式一般用于程序调试。SRAM 只能通过0x20000000进行操作，与上述两者不同。从SRAM 启动时，需要在应用程序初始化代码中重新设置向量表的位置

启动模式只决定程序烧录的位置，加载完程序之后会有一个重映射(映射到0x00000000地址位置)；真正产生复位信号的时候，CPU还是从开始位置执行。

六、起动流程

Cortex-M3内核规定，起始地址必须存放堆顶指针，而第二个地址则必须存放复位中断入口向量地址，这样在Cortex-M3内核复位后，会自动从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量，跳转执行复位中断服务程序。

在离开复位状态后，CM3 做的第一件事就是读取下列两个 32 位整数的值
从地址 0x00000000 [0x08000000]处取出 MSP [栈顶指针]的初始值
从地址 0x00000004 [0x08000004]取出 PC 的初始值——这个值是复位向量，LSB 必须是 1。然后从这个值所对应的地址处取指

<1>初始化堆栈指针[设置栈顶指针的地址]
<2>初始化PC[程序执行的第一个函数Reset_Handler]
<3>跳转到Reset_Handler
在Reset_Handler中执行：
① 初始化.data段（复制Flash中的初始值到RAM）
② 清零.bss段（未初始化的全局变量）
③调用SystemInit()（时钟配置）
④重定位中断向量表（VTOR寄存器）
⑤跳转到C库的__main
在__main中
① 初始化堆栈（用户堆/栈指针）
②调用运行时初始化
③跳转到用户main()函数