STM32F103C8T6單片機內部執行原理及啟動流程詳解

引言：為什么深入理解STM32啟動流程很重要？

STM32F103C8T6作為嵌入式開發中最常用的單片機之一，其內部執行原理和啟動流程是理解嵌入式系統底層運行機制的核心。無論是開發Bootloader、調試HardFault異常，還是優化系統啟動速度，都需要對這兩部分有深入掌握。本文將從硬件架構到軟件執行，全方位解析STM32F103C8T6的工作原理，配合代碼示例和實戰技巧，幫助你徹底搞懂單片機從"上電"到"運行main函數"的全過程。

一、STM32F103C8T6內部執行原理

1.1 核心架構：Cortex-M3內核與哈佛結構

STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3內核，采用哈佛架構（ Harvard Architecture?），將指令存儲和?數據存儲分離為兩條獨立總線：

? I-Code總線：專門用于取指（32位寬），可一次讀取兩條16位Thumb指令

? D-Code總線：專門用于數據訪問（32位寬），支持字節/半字/字操作

這種架構的優勢在于指令讀取和數據訪問可并行執行，大幅提升運行效率。相比傳統51單片機的馮·諾依?曼結構（指令和數據共享總線），哈佛結構在高主頻下的性能優勢尤為明顯。

1.2?三級流水線：?指令執行的"工廠流水線"

Cortex-M3內核采用三級流水線設計，將指令執行分為三個階段并行處理：

1. 取指（Fetch）：從Flash或指令緩存讀取指令，由預取單元（Prefetch Unit）完成，支持指令預取緩沖

2. 解碼（Decode）：解析指令操作碼和操作數，生成控制信號

3. 執行（Execute）：由ALU（算術邏輯單元）、乘法器等執行運算，訪問寄存器或存儲器

流水線工作時序：

? 時鐘周期1：指令1取指

? 時鐘周期2：指令1解碼，指令2取指

? 時鐘周期3：指令1執行，指令2解碼，指令3取指

這種并行處理使Cortex-M3在72MHz主頻下可實現1.25 DMIPS/MHz的性能（約90?DMIPS?）。

1.3?存儲器系統：?Flash?、RAM與地址映射

STM32F103C8T6的存儲器資源如下：

? Flash：64KB（地址范圍：0x08000000~0x0800FFFF），用于存儲程序代碼和常量

? SRAM：20KB（地址范圍：0x20000000~0x20004FFF），用于存儲變量和堆棧

存儲器映射規則：

Cortex-M3支持4GB地址空間，STM32將其劃分為多個區域：

? 0x00000000~0x1FFFFFFF：代碼區（Flash/系統存儲器/SRAM，通過啟動模式映射）

? 0x20000000~0x3FFFFFFF：SRAM區

? 0x40000000~0x5FFFFFFF：外設寄存器區（APB1/APB2/AHB外設）

? 0xE0000000~0xE00FFFFF：?內核外設區（NVIC、SysTick等）

1.4?總線架構：AHB與APB總線矩陣

STM32采用多級總線架構，通過總線矩陣（ Bus?Matrix?）協調各主設備（ CPU?、DMA）對從設備?（ Flash?、SRAM、外設）的訪問：

??AHB總線（Advanced High-performance Bus）：最高72MHz，連接高性能外設（Flash、SRAM、?DMA、LCD控制器等）

??APB1總線：最高36MHz，連接低速外設（USART2/3、I2C、SPI2等）

??APB2總線：最高72MHz，連接高速外設（GPIO、USART1、SPI1、ADC等）

1.5?時鐘系統：?從晶振到外設的"?時間管理者"

STM32的時鐘系統是最復雜也最核心的部分之一，支持5種時鐘源：

? HSI：內部高速RC振蕩器（8MHz，精度±1%）

? HSE：外部高速晶振（4~16MHz，通常接8MHz）

? LSI：內部低速RC振蕩器（40kHz，用于獨立看門狗）

? LSE：外部低速晶振（32.768kHz，用于RTC）

? PLL：鎖相環倍頻器（輸入可接HSI/2、HSE或HSE/2，倍頻2~16倍，最高輸出72MHz）

典型時鐘樹配置（ HSE=8MHz?）：

HSE →?PLL輸入（不分頻）→?PLL倍頻9倍?→?PLL輸出72MHz → 作為SYSCLK（系統時鐘）

? AHB分頻1?→ HCLK=72MHz（CPU主頻）

? APB1分頻2?→ PCLK1=36MHz

? APB2分頻1?→ PCLK2=72MHz

二、?STM32F103C8T6啟動流程詳解

2.1?啟動模式：?BOOT引腳如何決定程序從哪里啟動？

STM32的啟動模式由BOOT0和BOOT1引腳的電平決定，共三種模式：

BOOT1

BOOT0

啟動模式

映射地址

用途

主Flash啟動

0x08000000

正常運行用戶程?序（默認模式）

系統存儲器啟動

0x1FFFF000

通過串口下載程?序（ISP模式）

SRAM啟動

0x20000000

調試臨時程序

（掉電不保存）

關鍵細節：

? 復位時BOOT引腳電平被鎖存，修改后需復位生效

? 主Flash啟動時，0x00000000地址被映射到0x08000000（Flash首地址）

? 系統存儲器啟動時，執行ST出廠預置的Bootloader（支持USART1下載）

2.2?復位序列：?上電后CPU首先做什么？

當STM32上電或復位（ NRST引腳拉低）后，硬件自動執行以下步驟：

1. 初始化狀態寄存器：清除中斷標志，設置默認優先級

2. 讀取向量表前兩項：

? 從0x00000000讀取MSP初始值（棧頂指針）

? 從0x00000004讀取復位向量（Reset_Handler函數地址）

3. 跳轉執行Reset_Handler：CPU將PC指針設置為復位向量地址，開始執行啟動代碼

2.3?啟動文件解析：?startup_stm32f10x_md.s的秘密

啟動文件（匯編編寫）是連接硬件復位和C語言環境的橋梁，以 ?startup_stm32f10x_md?.s?

（中等容量?設備）為例，主要完成以下工作：

2.3.1?堆棧定義

Stack_Size      EQU     0x00000400  ; 棧大小1KBAREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size  ; 分配棧空間
__initial_sp    ; 棧頂地址（棧從高地址向低地址生長）Heap_Size       EQU     0x00000200   ; 堆大小512BAREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base     ; 堆起始地址
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size   ; 分配堆空間
__heap_limit    ; 堆結束地址

2.3.2?中斷向量表

AREA    RESET, DATA, READONLYEXPORT  __VectorsEXPORT  __Vectors_EndEXPORT  __Vectors_Size__Vectors       DCD     __initial_sp               ; 0: 棧頂指針DCD     Reset_Handler              ; 1: 復位中斷DCD     NMI_Handler                ; 2: NMI中斷DCD     HardFault_Handler          ; 3: 硬件錯誤中斷; ... 其他中斷向量（共68個）
__Vectors_End__Vectors_Size  EQU     __Vectors_End - __Vectors  ; 向量表大小

2.3.3?復位處理函數（ Reset_Handler）

復位后執行的第一個函數，負責初始化硬件和C環境：

Reset_Handler   PROCEXPORT  Reset_Handler             [WEAK]IMPORT  SystemInit                ; 引入系統初始化函數IMPORT  __main                    ; 引入C庫初始化函數; 1. 設置棧指針（已由硬件讀取__initial_sp完成）; 2. 初始化數據段（.data）ldr     r0, =_sdata               ; 數據段目標地址（RAM）ldr     r1, =_edata               ; 數據段結束地址ldr     r2, =_sidata              ; 數據段源地址（Flash）movs    r3, #0
LoopCopyDataInit:cmp     r0, r1                    ; 復制未完成？ittt    ltldrlt   r4, [r2], #4              ; 從Flash讀取數據strlt   r4, [r0], #4              ; 寫入RAMblt     LoopCopyDataInit          ; 循環復制; 3. 初始化BSS段（清零）ldr     r2, =_sbss                ; BSS段起始地址ldr     r4, =_ebss                ; BSS段結束地址movs    r3, #0
LoopFillZerobss:cmp     r2, r4                    ; 清零未完成？itt     ltstrlt   r3, [r2], #4              ; 寫入0blt     LoopFillZerobss           ; 循環清零; 4. 調用SystemInit配置系統時鐘bl      SystemInit; 5. 調用__main初始化C庫，最終跳轉到main函數bl      __mainENDP

關鍵步驟解析：

? 數據段（.data）復制：將Flash中存儲的已初始化全局變量復制到RAM

? BSS段清零：將未初始化全局變量在RAM中清零

? SystemInit：配置系統時鐘（默認使用HSI，可修改為HSE+PLL=72MHz）

??__main：C庫函數，初始化堆和棧，調用全局構造函數（C++），最終跳轉到用戶

2.4?SystemInit函數：?時鐘配置的核心

SystemInit函數（位于system_stm32f10x.c）負責系統時鐘初始化，默認配置如下：

void SystemInit(void) {/* 復位RCC寄存器到默認狀態 */RCC->CR |= 0x00000001U;                  // 使能HSIRCC->CFGR &= 0xF8FF0000U;                // 復位時鐘配置寄存器RCC->CR &= 0xFEF6FFFFU;                  // 關閉HSE、CSS、PLLRCC->CR &= 0xFFFBFFFFU;                  // 關閉HSE旁路RCC->CFGR &= 0xFF80FFFFU;                // 復位PLL配置/* 配置向量表偏移（默認在Flash） */
#ifdef VECT_TAB_SRAMSCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; // 向量表在SRAM
#elseSCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;// 向量表在Flash（0x08000000）
#endif
}

默認時鐘：HSI（8MHz）作為系統時鐘，未啟用PLL，如需72MHz需修改SetSysClock函數：

static void SetSysClockTo72(void) {RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;                 // 使能HSEwhile((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) == 0);   // 等待HSE就緒RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSE;        // PLL輸入=HSERCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9;          // PLL倍頻9倍（8MHz*9=72MHz）RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;                 // 使能PLLwhile((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);   // 等待PLL就緒FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;          // 使能Flash預取FLASH->ACR &= ~FLASH_ACR_LATENCY;FLASH->ACR |= FLASH_ACR_LATENCY_2;       // Flash等待周期=2（72MHz時）RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;            // 系統時鐘=PLL輸出while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL); // 等待切換完成
}

三、代碼示例與實戰解析

3.1?啟動流程驗證：?通過LED觀察啟動階段

硬件連接：?LED接PC13（低電平點亮）

代碼實現：

// main.c
#include "stm32f10x.h"// 延時函數
void Delay(__IO uint32_t nCount) {while(nCount--) {}
}int main(void) {// 使能GPIOC時鐘（APB2外設）RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;// 配置PC13為推挽輸出GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13);GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;  // 輸出模式，最大速度10MHzwhile (1) {GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_ODR13;   // 翻轉PC13電平Delay(0xFFFFF);                 // 延時}
}

啟動階段分析：

1. 上電后LED不亮（系統初始化階段）

2. SystemInit執行完畢后，LED開始閃爍（main函數執行）

3. 若LED不閃爍，可能是時鐘配置錯誤或啟動文件選擇不當（需使用 ?startup_stm32f10x_md?.s）

3.2?中斷向量表重映射：?從RAM啟動時的配置

當使用SRAM啟動或IAP升級時，需將向量表重映射到RAM：

// 在SystemInit或main中配置
void VectorTableRemap(void) {// 將Flash中的向量表復制到RAM（0x20000000）uint32_t *pSrc = (uint32_t*)0x08000000;    // Flash向量表起始地址uint32_t *pDest = (uint32_t*)0x20000000;   // RAM向量表起始地址uint32_t i;for(i = 0; i < 68; i++) {                  // 復制68個中斷向量pDest[i] = pSrc[i];}// 配置VTOR寄存器（向量表偏移）SCB->VTOR = 0x20000000;                    // 向量表基地址=RAM起始地址
}

3.3?啟動時間優化：?從72ms到15ms的實戰技巧

默認啟動時間：約72ms（含Flash擦寫、C庫初始化等）

優化方法：

1. 關閉不必要的外設時鐘：

在SystemInit中僅使能必要外設時鐘（如GPIO、USART）

2. 優化Flash訪問：

使能預取緩沖區（FLASH_ACR_PRFTBE=1），設置正確等待周期（72MHz時=2）

3. 跳過C庫初始化：

若不使用全局構造函數，可在啟動文件中直接跳轉到main：

; 在Reset_Handler中替換bl __main為bl main
bl SystemInit
bl main        ; 直接調用main，跳過__libc_init_array

4. 使用HSI快速啟動：

若對時鐘精度要求不高，使用HSI（8MHz）可避免HSE晶振啟動延時

四、常見問題與調試技巧

4.1?啟動失敗排查清單

現象

可能原因

解決方案

程序無反應

BOOT0引腳接高電平（進入?ISP模式）

將BOOT0接地，復位芯片

HardFault異常

棧溢出或非法內存訪問

增大棧大小（Stack_Size），檢?查指針操作

現象

可能原因

解決方案

時鐘配置后死機

PLL倍頻過高（超過72MHz）

重新計算PLL參數，確保輸出?≤72MHz

全局變量初始化失敗

.data或.bss段地址配置錯誤

檢查鏈接腳本（ .ld）中的RAM?地址和大小

4.2?使用ST-Link調試啟動過程

1. 查看寄存器狀態：

復位后暫停，查看??SP?是否等于?___initial_sp， ?PC?是否指向??Reset_Handler?

2. 設置斷點：

在 ?Reset_Handler?、SystemInit、main?函數設置斷點，觀察執行流程

3. 查看內存：

檢查 ?0x20000000(RAM起始地址）是否已復制.data段數據，.bss段是否清零

總結與擴展

本文詳細解析了STM32F103C8T6的內部執行原理（哈佛架構、三級流水線、存儲器映射、時鐘系統）和啟動流程（復位序列、啟動模式、啟動文件、SystemInit），并通過代碼示例展示了實戰應用。掌握這些知識后，你可以：

開發自定義Bootloader，實現IAP固件升級
優化系統啟動速度，滿足實時性要求
快速定位HardFault等底層異常

推薦擴展閱讀：

《STM32F103參考手冊（RM0008）》：深入了解寄存器配置
《Cortex-M3權威指南》：理解內核架構和異常處理
STM32CubeMX：圖形化配置時鐘和外設，自動生成初始化代碼

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附錄：關鍵地址速查表

名稱	地址范圍	用途
Flash	0x08000000~0x0800FFFF	程序代碼存儲
SRAM	0x20000000~0x20004FFF	變量和堆棧
向量表（默認）	0x08000000~0x08000107	中斷服務函數地址數組
RCC寄存器	0x40021000~0x400213FF	時鐘控制寄存器
GPIO寄存器	? ? ? ? ? ?0x40010800~0x40010BFF?（GPIOC）	GPIO控制寄存器