開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

對于我們常用的桌面操作系統(tǒng)而言，我們在開發(fā)應用時，并不關心系統(tǒng)的初始化，絕大多數(shù)應用程序是在操作系統(tǒng)運行后才開始運行的，操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了一個合適的運行環(huán)境，然而對于嵌入式設備而言，在設備上電后，所有的一切都需要由開發(fā)者來設置，這里處理器是沒有堆棧，沒有中斷，更沒有外圍設備，這些工作是需要軟件來指定的，而且不同的CPU類型、不同大小的內(nèi)存和不同種類的外設，其初始化工作都是不同的。本文將以GD32F207IK (基于Cortex-M3)為例進行講解。

在開始正式講解之前，你需要了解ARM寄存器、匯編以及反編譯相關的知識，這些可以參考筆者博文。

深入理解ARM寄存器：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/117866186

ARM匯編入門：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/117897496

Keil反編譯入門(一)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118314875

Keil反編譯入門(二)：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/118400368

下面我們就來具體看一下用戶從Flash啟動GD32的過程，主要講解從上電復位到main函數(shù)的過程。主要有以下步驟：

1.初始化堆棧指針 SP=_initial_sp，初始化 PC 指針=Reset_Handler

2.初始化中斷向量表

3.配置系統(tǒng)時鐘

4.調(diào)用 C 庫函數(shù)_main 初始化用戶堆棧，然后進入 main 函數(shù)。

在開始講解之前，我們需要了解GD32的啟動模式。

1 GD32的啟動模式

首先要講一下GD32的啟動模式，因為啟動模式?jīng)Q定了向量表的位置，GD32有三種啟動模式：

1)主閃存存儲器(Main Flash)啟動：從GD32內(nèi)置的Flash啟動(0x0800 0000-0x0807 FFFF)，一般我們使用JTAG或者SWD模式下載程序時，就是下載到這個里面，重啟后也直接從這啟動程序。以0x08000000 對應的內(nèi)存為例，則該塊內(nèi)存既可以通過0x00000000 操作也可以通過0x08000000 操作，且都是操作的同一塊內(nèi)存。

2)系統(tǒng)存儲器(System Memory)啟動：從系統(tǒng)存儲器啟動(0x1FFFF000 - 0x1FFF F7FF)，這種模式啟動的程序功能是由廠家設置的。一般來說，我們選用這種啟動模式時，是為了從串口下載程序，因為在廠家提供的ISP程序中，提供了串口下載程序的固件，可以通過這個ISP程序?qū)⒂脩舫绦蛳螺d到系統(tǒng)的Flash中。以0x1FFFFFF0對應的內(nèi)存為例，則該塊內(nèi)存既可以通過0x00000000 操作也可以通過0x1FFFFFF0操作，且都是操作的同一塊內(nèi)存。

3)片上SRAM啟動：從內(nèi)置SRAM啟動(0x2000 0000-0x3FFFFFFF)，既然是SRAM，自然也就沒有程序存儲的能力了，這個模式一般用于程序調(diào)試。SRAM 只能通過0x20000000進行操作，與上述兩者不同。從SRAM 啟動時，需要在應用程序初始化代碼中重新設置向量表的位置。

用戶可以通過設置BOOT0和BOOT1的引腳電平狀態(tài)，來選擇復位后的啟動模式。如下圖所示：

啟動模式只決定程序燒錄的位置 ，加載完程序之后會有一個重映射(映射到0x00000000地址位置)；真正產(chǎn)生復位信號的時候，CPU還是從開始位置執(zhí)行。

值得注意的是GD32上電復位以后，代碼區(qū)都是從0x00000000開始的，三種啟動模式只是將各自存儲空間的地址映射到0x00000000中。

Bootloader 存放在系統(tǒng)(System)存儲內(nèi)，可以在 MCU 啟動后對 Flash 進行再編程。在GD32F20x 系列產(chǎn)品中，Bootloader 通過 USART0 與外界交互。

GD32F20x芯片支持嵌入式引導程序通過多種接口方式來更新Flash?？梢杂?或2個USART端口和標準USB端口用于GD32F205xx和GD32F207xx互聯(lián)型產(chǎn)品。如下表所示。

2 GD32的啟動文件分析

因為啟動過程主要是由匯編完成的，因此GD32的啟動的大部分內(nèi)容都是在啟動文件里。筆者的啟動文件是startup_gd32f20x_cl.s。

2.1堆棧定義

1. Stack棧

棧的作用是用于局部變量，函數(shù)調(diào)用，函數(shù)形參等的開銷，棧的大小不能超過內(nèi)部SRAM 的大小。當程序較大時，需要修改棧的大小，不然可能會出現(xiàn)的HardFault的錯誤。

第43行：表示開辟棧的大小為 0X00000400（1KB），EQU是偽指令，相當于C 中的 define。

第45行：開辟一段可讀可寫數(shù)據(jù)空間，ARER 偽指令表示下面將開始定義一個代碼段或者數(shù)據(jù)段。此處是定義數(shù)據(jù)段。ARER 后面的關鍵字表示這個段的屬性。段名為STACK，可以任意命名；NOINIT 表示不初始化；READWRITE 表示可讀可寫，ALIGN=3，表示按照 8 字節(jié)對齊。

第46行：SPACE 用于分配大小等于 Stack_Size連續(xù)內(nèi)存空間，單位為字節(jié)。

第47行： __initial_sp表示棧頂?shù)刂?。棧是由高向低生長的。

2.Heap堆

堆主要用來動態(tài)內(nèi)存的分配，像 malloc()函數(shù)申請的內(nèi)存就在堆中。

開辟堆的大小為 0X00000200（512 字節(jié)），名字為 HEAP，NOINIT 即不初始化，可讀可寫，8字節(jié)對齊。__heap_base 表示對的起始地址，__heap_limit 表示堆的結(jié)束地址。

2.2 向量表

向量表是一個WORD（ 32 位整數(shù)）數(shù)組，每個下標對應一種異常，該下標元素的值則是該 ESR 的入口地址。向量表在地址空間中的位置是可以設置的，通過 NVIC 中的一個重定位寄存器來指出向量表的地址。在復位后，該寄存器的值為 0。因此，在地址 0 （即 FLASH 地址 0）處必須包含一張向量表，用于初始時的異常分配。

值得注意的是這里有個另類：0號類型并不是什么入口地址，而是給出了復位后 MSP 的初值，后面會具體講解。

……

第66行：定義一塊代碼段，段名字是RESET，READONLY 表示只讀。

第67-69行：使用EXPORT將3個標識符申明為可被外部引用，聲明 __Vectors、__Vectors_End 和__Vectors_Size 具有全局屬性。這幾個變量在Keil分散加載時會用到。

第71行：__Vectors 表示向量表起始地址，DCD 表示分配 1 個 4 字節(jié)的空間。每行 DCD 都會生成一個 4 字節(jié)的二進制代碼，中斷向量表 存放的實際上是中斷服務程序的入口地址。當異常（也即是中斷事件）發(fā)生時，CPU 的中斷系統(tǒng)會將相應的入口地址賦值給 PC 程序計數(shù)器，之后就開始執(zhí)行中斷服務程序。在60行之后，依次定義了中斷服務程序的入口地址。

第179行：__Vectors_End 為向量表結(jié)束地址。

第181行：__Vectors_Size則是向量表的大小，向量表的大小是通過__Vectors 和__Vectors_End 相減得到的。

上述向量表可以在《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》中找到的，筆者這里只截取了部分。

筆者只截取了部分。

2.3 復位程序

復位程序是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個程序，復位程序也是中斷程序，只是這個程序比較特殊，因此單獨提出來講解。

第186行：定義了一個服務程序，PROC表示程序的開始。

第187行：使用EXPORT將Reset_Handler申明為可被外部引用，后面WEAK表示弱定義，如果外部文件定義了該標號則首先引用該標號，如果外部文件沒有聲明也不會出錯。這里表示復位程序可以由用戶在其他文件重新實現(xiàn)。

第188-189行：表示該標號來自外部文件，SystemInit()是一個庫函數(shù)，在system_gd32f10x.c中定義的，__main 是一個標準的 C 庫函數(shù)，主要作用是初始化用戶堆棧，這個是由編譯器完成的，該函數(shù)最終會調(diào)用我們自己寫的main函數(shù)，從而進入C世界中。

第190行：這是一條匯編指令，表示從存儲器中加載SystemInit到一個寄存器R0的地址中。R0~R3 寄存器通常用于函數(shù)入?yún)⒊鰠⒒蜃映绦蛘{(diào)用。

第191行：匯編指令，表示跳轉(zhuǎn)到寄存器R0的地址，并根據(jù)寄存器的 LSE 確定處理器的狀態(tài)，還要把跳轉(zhuǎn)前的下條指令地址保存到 LR。

第192行：和190行是一個意思，表示從存儲器中加載__main到一個寄存器R0的地址中。

第193行：和191稍微不同，這里跳轉(zhuǎn)到至指定寄存器的地址后，不會返回。

第194行：和PROC是對應的，表示程序的結(jié)束。

值得注意的是，這里的__main和C語言中的main()不是一樣東西，__main是C lib中的函數(shù)，也就是在Keil中自帶的；而main()函數(shù)是C的入口，main()會被__main調(diào)用。

2.4 中斷服務程序

我們平時要使用哪個中斷，就需要編寫相應的中斷服務程序，只是啟動文件把這些函數(shù)留出來了，但是內(nèi)容都是空的，真正的中斷復服務程序需要我們在外部的 C 文件里面重新實現(xiàn)，這里只是提前占了一個位置罷了。

這部分沒啥好說的，和服務程序類似的，只需要注意‘B .’語句，B表示跳轉(zhuǎn)，這里跳轉(zhuǎn)到一個‘.’，即表示無線循環(huán)。

2.5 堆棧初始化

堆棧初始化是由一個IF條件來實現(xiàn)的，MICROLIB的定義與否決定了堆棧的初始化方式。

這個定義是在Options->Target中設置的。

如果沒有定義__MICROLIB ， 則會使用雙段存儲器模式，且聲明了__user_initial_stackheap 具有全局屬性，這需要開發(fā)者自己來初始化堆棧。

這部分也沒啥講的，需要注意的是，ALIGN表示對指令或者數(shù)據(jù)存放的地址進行對齊，缺省表示4字節(jié)對齊。

2.6 其他

第62行：PRESERVE8 用于指定當前文件的堆棧按照 8 字節(jié)對齊。

第63行：THUMB 表示后面指令兼容 THUMB 指令?，F(xiàn)在 Cortex-M 系列的都使用 THUMB-2 指令集，THUMB-2 是 32 位的，兼容 16 位和 32 位的指令，是 THUMB 的超集。

3 GD32的啟動流程實例分析

有了前面的分析，接下來就來具體看看GD32啟動流程的具體內(nèi)容。

3.1初始化SP、PC、向量表

當系統(tǒng)復位后，處理器首先讀取向量表中的前兩個字（8 個字節(jié)），第一個字存入 MSP，第二個字為復位向量，也就是程序執(zhí)行的起始地址。

這里通過J-Flash打開hex文件。

硬件這時自動從0x0800 0000位置處讀取數(shù)據(jù)賦給棧指針SP，然后自動從0x0800 0004位置處讀取數(shù)據(jù)賦給PC，完成了復位操作，SP= 0x0200 2008，PC = 0x0800 01BD。

初始化SP、PC緊接著就初始化向量表，如果感覺看HEX文件抽象，我們看看反匯編文件吧。

是不是更容易些，是不是和《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》中的向量表對應起來了。其實看反匯編文件更好理解GD32的啟動流程，只是有些抽象。

生成反匯編的方法如下。

在KEIL的User選項中，如下圖添加這兩項：

fromelf --bin --output=GD32F207I_EVAL.bin ../Output/GD32F207I_EVAL.axf

fromelf --text -a -c --output=GD32F207I_EVAL.dis ../Output/GD32F207I_EVAL.axf

然后重新編譯，即可得到二進制文件GD32F207I_EVAL.bin(以后會分析)、反匯編文件GD32F207I_EVAL.dis。

如下圖所示：

3.2 設置系統(tǒng)時鐘

細心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，PC=0x080001BD，這里表明MCU運行的是THUMB模式，最低位為1表示為THUMB狀態(tài)。然后在反匯編文件中卻是這樣的：

當然也可通過硬件調(diào)試來確認上面的分析：

接下來就會進入SystemInit函數(shù)中。

SystemInit函數(shù)內(nèi)容如下：

/*!
    \\\\\\\\brief      setup the micro-controller system, initialize the system
    \\\\\\\\param[in]  none
    \\\\\\\\param[out] none
    \\\\\\\\retval     none
*/
void SystemInit(void)
{
    /* reset the RCC clock configuration to the default reset state */
    /* enable IRC8M */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_IRC8MEN;

    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* reset SCS, AHBPSC, APB1PSC, APB2PSC, ADCPSC, CKOUT0SEL bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_SCS | RCU_CFG0_AHBPSC | RCU_CFG0_APB1PSC | RCU_CFG0_APB2PSC |
                  RCU_CFG0_ADCPSC | RCU_CFG0_ADCPSC_2 | RCU_CFG0_CKOUT0SEL);

    /* reset HXTALEN, CKMEN, PLLEN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALEN | RCU_CTL_CKMEN | RCU_CTL_PLLEN);

    /* Reset HXTALBPS bit */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_HXTALBPS);

    /* reset PLLSEL, PREDV0_LSB, PLLMF, USBFSPSC bits */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLSEL | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLMF |
                  RCU_CFG0_USBFSPSC | RCU_CFG0_PLLMF_4);

    /* reset PLL1EN and PLL2EN bits */
    RCU_CTL &= ~(RCU_CTL_PLL1EN | RCU_CTL_PLL2EN);

    /* reset CFG1 register */
    RCU_CFG1 = 0x00000000U;

    /* reset INT register */
    RCU_INT = 0x00FF0000U;

    /* reset CFG2 register */
    RCU_CFG2 = 0x00000000U;

    /* reset PLLTCTL register */
    RCU_PLLTCTL &= (~RCU_PLLTCTL_PLLTEN);

    /* reset PLLTINT register */
    RCU_PLLTINT = 0x00400000U;

    /* reset PLLTCFG register */
    RCU_PLLTCFG = 0x20003010U;

    /* configure the system clock source, PLL multiplier, AHB/APBx prescalers and flash settings */
    system_clock_config();
}

前面部分是配置時鐘的，具體參考手冊吧。

/*!
    \\\\\\\\brief      configure the system clock to 120M by PLL which selects HXTAL(8M) as its clock source
    \\\\\\\\param[in]  none
    \\\\\\\\param[out] none
    \\\\\\\\retval     none
*/
static void system_clock_120m_hxtal(void)
{
    uint32_t timeout = 0U;
    uint32_t stab_flag = 0U;

    /* enable HXTAL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_HXTALEN;

    /* wait until HXTAL is stable or the startup time is longer than HXTAL_STARTUP_TIMEOUT */
    do {
        timeout++;
        stab_flag = (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB);
    } while((0U == stab_flag) && (HXTAL_STARTUP_TIMEOUT != timeout));

    /* if fail */
    if(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_HXTALSTB)) {
        while(1) {
        }
    }

    /* HXTAL is stable */
    /* AHB = SYSCLK */
    RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
    /* APB2 = AHB/1 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV1;
    /* APB1 = AHB/2 */
    RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV2;

    /* CK_PLL = (CK_PREDIV0) * 10 = 120 MHz */
    RCU_CFG0 &= ~(RCU_CFG0_PLLMF | RCU_CFG0_PLLMF_4 | RCU_CFG0_PREDV0_LSB | RCU_CFG0_PLLSEL);
    RCU_CFG0 |= (RCU_PLLSRC_HXTAL | RCU_PLL_MUL10);

    /* CK_PREDIV0 = (CK_HXTAL) / 5 * 12 /5 = 12 MHz */
    RCU_CFG1 &= ~(RCU_CFG1_PREDV0SEL | RCU_CFG1_PLL1MF | RCU_CFG1_PREDV1 | RCU_CFG1_PREDV0);
    RCU_CFG1 |= (RCU_PREDV0SRC_CKPLL1 | RCU_PLL1_MUL12 | RCU_PREDV1_DIV5 | RCU_PREDV0_DIV5);

    /* enable PLL1 */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLL1EN;
    /* wait till PLL1 is ready */
    while((RCU_CTL & RCU_CTL_PLL1STB) == 0U) {
    }

    /* enable PLL */
    RCU_CTL |= RCU_CTL_PLLEN;

    /* wait until PLL is stable */
    while(0U == (RCU_CTL & RCU_CTL_PLLSTB)) {
    }

    /* select PLL as system clock */
    RCU_CFG0 &= ~RCU_CFG0_SCS;
    RCU_CFG0 |= RCU_CKSYSSRC_PLL;

    /* wait until PLL is selected as system clock */
    while(0U == (RCU_CFG0 & RCU_SCSS_PLL)) {
    }
}

3.3 初始化堆棧并進入main

執(zhí)行指令LDR R0, =__main，然后就跳轉(zhuǎn)到__main程序段運行，當然這里指標準庫的__main函數(shù)。

這中間初始化了棧區(qū)。

這段代碼是個循環(huán)（BCC 0x080001e6），實際運行時候循環(huán)了兩次。第一次運行的時候，讀取“加載數(shù)據(jù)段的函數(shù)”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運行（注意加載已初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段用的是同一個函數(shù)）；第二次運行的時候，讀取“初始化棧的函數(shù)”的地址并跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)處運行。

最后就進入C文件的main函數(shù)中，至此，啟動過程到此結(jié)束。

最后，總結(jié)下GD32 從flash的啟動流程。

MCU上電后從0x0800 0000處讀取棧頂?shù)刂凡⒈４?，然后?x0800 0004讀取中斷向量表的起始地址，這就是復位程序的入口地址，接著跳轉(zhuǎn)到復位程序入口處，初始向量表，然后設置時鐘，設置堆棧，最后跳轉(zhuǎn)到C空間的main函數(shù)，即進入用戶程序。