STM32-BOOT的三种启动方式

STM32-BOOT的三种启动方式

STM32的三种启动方式

STM32-DataSheet

1. 启动引脚与三种启动选项

“At startup, boot pins are used to select one out of three boot options:”
（在启动时，启动引脚被用来选择三种启动选项之一：）

单片机外部通常会有特定的引脚（通常命名为BOOT0和BOOT1）。在芯片通电的那一瞬间，硬件会检测这几个引脚是高电平（接3.3V）还是低电平（接地）。根据引脚电平的不同组合，芯片会选择以下三个地方之一作为程序的起点：

• Boot from user Flash（从用户闪存启动）
  这是最正常、最常用的工作模式。User Flash 就是你平时用电脑写完代码后，程序被烧录进芯片永久保存的地方。选择这个模式，芯片通电后就会直接运行你编写的程序。

• Boot from system memory（从系统存储器启动）
  System memory 是一块特殊的只读存储区。芯片在出厂前，厂家（比如ST公司）会在里面固化一段不可修改的程序，称为Bootloader（引导加载程序）。选择这个模式，芯片不运行你写的代码，而是运行厂家的这段内部代码。

• Boot from embedded SRAM（从内置SRAM启动）
  SRAM（静态随机存取存储器）通常是用来存放程序运行时的变量（内存）的，掉电后数据会丢失。从这里启动主要用于开发人员进行高级调试，或者用于某些需要极快代码执行速度的特殊场景（因为 SRAM 的读取速度比 Flash 快得多）。

2. Bootloader（引导加载程序）的作用

“The boot loader is located in system memory. It is used to reprogram the Flash memory through a serial (UART, I2C, CAN, SPI and USB) communication interface. Refer to application note AN2606 for details.”
（引导加载程序位于系统存储器中。它被用于通过串行通信接口（UART, I2C, CAN, SPI 和 USB）对 Flash 存储器进行重新编程。详情请参考应用笔记 AN2606。）

• 它的核心作用是用来给芯片“下载/烧录”程序的。
• 如果你手头没有专用的下载器（比如ST-Link或J-Link），你可以通过设置引脚让芯片进入“系统存储器启动”模式。
• 此时运行的 Bootloader 可以激活芯片上的各种通信接口（比如普通的串口 UART、USB 接口等）。然后，你就可以直接用一根 USB 线或串口线，把你电脑上写好的新程序发送给单片机。
• Bootloader 接收到这些新程序后，会把它们自动写入到User Flash（用户闪存）中。这个过程在工程上通常被称为ISP (In-System Programming，在系统编程)。
• 最后一句话提到，关于这个 Bootloader 支持哪些接口、具体怎么通讯，厂家提供了一份专门的文档叫AN2606（这是ST官方非常有名的讲解系统 Bootloader 的文档），有需要可以去查阅。

BOOT0和BOOT1引脚

BOOT1 通常是一个“复用”引脚（以经典系列为例）

在很多经典的 STM32 芯片（比如非常流行的 STM32F1、F4 系列）中，BOOT1 并没有自己专属的独立引脚，它通常与普通的 GPIO 引脚 PB2 共用。

在芯片复位（上电）的那一瞬间： 硬件会去读取 PB2 引脚上的电平高低，把它当作 BOOT1 信号来决定从哪里启动。

在启动完成，程序开始运行后： 这个引脚就恢复成了普通的 PB2 引脚，你可以把它配置成输入、输出或者其他外设功能。

在 CubeMX 中： 软件主要负责配置程序运行起来之后的引脚状态。因此，它在界面上只会标出 PB2，而不会特意标注它是 BOOT1。

STM32 User Reference Manual三种启动方式描述

SRAM

STM32F446xx 具有 4 Kbytes 的备份 SRAM（参见 第 5.1.2 节：电池备份域）以及 128 Kbytes 的系统 SRAM。 嵌入式 SRAM 可以按字节、半字（16 位）或全字（32 位）进行访问。读写操作以 CPU 速度执行，零等待状态。嵌入式 SRAM 最多分为两个块： SRAM1 和 SRAM2 映射在地址 0x2000 0000 处，可由所有 AHB 主机访问。 AHB 主机支持并发 SRAM 访问（来自 USB OTG HS）：例如，当 CPU 正在读/写 SRAM1 时，USB OTG HS 可以读/写 SRAM2。 当选择从 SRAM 启动或选择物理重映射时（SYSCFG 控制器中的 第 8.2.1 节：SYSCFG 存储器重映射寄存器 (SYSCFG_MEMRMP)），CPU 可以通过系统总线或 I-Code/D-Code 总线访问 SRAM1 和 SRAM2。为了获得 SRAM 执行的最大性能，应选择物理重映射（启动或软件选择）。

STM32F4还可以使用FSMC重映射到外部的SRAM启动; 可通过配置SYSCFG_MEMRMP寄存器.

STM32F7只有BOOT引脚, 额外有启动地址选项字节.

较新的芯片

在较新的芯片中，BOOT1 变成了“选项字节 (Option Byte)”

为了节省宝贵的物理引脚，意法半导体在许多较新的系列（例如 STM32G0、G4、L4、H7 等）中，直接取消了物理的 BOOT1 引脚。

在这些芯片中，BOOT1 的功能被移到了芯片内部的非易失性存储器中，成为了一个叫做 nBOOT1 的选项字节（Option Byte）。

你不再需要通过外部电阻去拉高或拉低引脚。

而是需要使用专用的下载软件（如 STM32CubeProgrammer）连接芯片后，直接在软件里修改内部寄存器的值来设定启动模式。

SRAM使用场景

在日常的绝大多数开发中，几乎用不到。但在特定的工业生产和极客场景下，它是不可替代的。

对于 99% 的嵌入式软件工程师来说，可能职业生涯中都不会把硬件引脚拨到 BOOT0 = 1, BOOT1 = 1。但它存在必然有其价值，主要用于以下几个特殊场景：

保护 Flash 的擦写寿命（工厂自动化测试）： 单片机的 Flash 是有寿命的（通常是 1 万到 10 万次擦写）。在芯片出厂测试，或者大批量 PCBA（电路板）生产线上的功能验证阶段，如果每测一块板子都要烧写一次测试代码到 Flash 里，会极大地损耗 Flash 寿命。此时，测试设备会通过 SRAM 启动模式，直接把测试代码灌入内存运行，测完断电，无痕且不伤 Flash。

解除读保护（极客/破解场景）： 如果一块 STM32 被设置了最高级别的读保护，Flash 里的代码是被锁死的。在某些破解或安全研究场景下，可以通过 SRAM 启动，在内存中运行一段特权代码，来尝试擦除整个 Flash 并解除芯片锁定（当然，这会清空原有程序）。

编写/调试 Flash 烧录算法： 如果你自己要写一段代码去更新或擦除主 Flash（比如做 OTA 升级），CPU 是不能“一边在 Flash 里运行，一边擦除自身所在的那块 Flash”的（这会卡死）。这时候，你必须把这段执行擦写动作的代码放到 SRAM 里去运行。

STM32启动流程

1. 上电复位, 硬件自动执行, 系统从复位状态开始, 为后续运行做准备;
   • 确定启动方式;
   • CPU根据BOOT引脚电平确定启动方式;
   • 从启动地址加载栈顶地址MSP, 并自动跳转到复位中断
2. 执行启动文件, 执行汇编代码, 初始化堆栈指针, 配置中断向量表;
3. 执行SystemInit函数, 初始化系统时钟;
4. 执行__main, 初始化RW段, 清除bss段, 软件设置SP指针, 初始化栈空间, 最后跳转到main函数;

四个核心阶段

阶段一：纯硬件苏醒与引脚采样 (Hardware Phase)

上电与复位 (Power-on & Reset)： 当你给芯片通电，或者按下 Reset 按键松开的一瞬间，芯片内部的硬件电路开始复位，系统时钟 (SYSCLK) 开始震荡。

采样 BOOT 引脚： 就像我们之前在数据手册里看到的，在复位后的第 4 个时钟上升沿，硬件会瞬间“锁定” BOOT0 和 BOOT1 引脚的电平状态。

内存重映射 (Aliasing)： 硬件根据刚才读取的 BOOT 状态，拨动内部的总线开关。如果是最常见的从主 Flash 启动，硬件就会把物理地址 0x0800 0000 (Flash 起始位置) 映射到逻辑基地址 0x0000 0000。
(此时，CPU 还没有执行任何一行代码，全都是纯硬件的本能反应。)

阶段二：CPU 内核接管 (Cortex-M Core Phase)

此时，ARM Cortex-M 内核正式苏醒，它固定会去做两件“刻在基因里”的事情：

获取栈顶指针 (Fetch MSP)：
CPU 去读取 0x0000 0000 这个地址里的前 4 个字节的数据，把它装载到自己的 MSP（主栈指针寄存器） 里。
意义：C 语言的运行极其依赖“栈（Stack）”来保存局部变量和函数调用记录。CPU 醒来第一件事就是找一块 SRAM 作为自己的“办公桌”。

获取复位向量 (Fetch PC)：
CPU 紧接着去读取 0x0000 0004 这个地址里的数据，把它装载到 PC（程序计数器） 里。这个数据存放的就是第一条代码指令所在的地址（通常被称为 Reset_Handler 复位中断服务函数）。
意义：CPU 找到了程序的第一行代码，正式开始执行！

阶段三：汇编引导文件 (Startup Code Phase)

此时，PC 指针跳转到了 Reset_Handler。这段代码通常是用汇编语言写的（就是你工程里那个叫 startup_stm32xxx.s 的文件）。它的主要任务是为 C 语言的运行搭建环境：

系统初始化 (SystemInit)： 配置好单片机的系统时钟树（把默认的慢速内部时钟切换到高速外部晶振，拉满芯片主频），并配置好 Flash 的读取延迟。

搬运 .data 段：
你在 C 语言里写了 int a = 5;（带有初值的全局变量）。这个 5 掉电不能丢，所以它是存在 Flash 里的。但程序运行时变量又必须在 SRAM 里读写。所以，启动代码会把这些变量从 Flash 中复制到 SRAM 里。

清零 .bss 段（填坑解惑）：
上一问我们提到，刚上电时 SRAM 里全是乱码。如果你写了 int b;（没赋初值的全局变量），按 C 语言标准，它默认应该是 0。为了实现这一点，启动代码会强行把 SRAM 中分配给这些变量的区域全部填成 0。这就是为什么你没赋值的全局变量不会是乱码的原因！

跳转到 C 库： 调用 __main，完成 C 标准库的初始化。

阶段四：进入 C 语言世界 (C World)

经过前面所有的铺垫，环境终于准备就绪。__main 函数最终会调用一条指令：BL main。

此时，程序计数器 (PC) 跳转到了你亲手编写的 main.c 里的 main() 函数。
接着进入 while(1) 死循环，你的代码开始日复一日地控制 LED 闪烁、读取传感器、收发串口数据，直到下一次断电。

相关参考文档

STM32的BOOT1和BOOT0查找及配置-都有BOOT1引脚的_stm32boot1引脚在哪-CSDN博客

STM32的完整启动流程分析_stm32启动过程详解-CSDN博客

典型arm32位单片机启动流程(从上电到main.c) - 林接接 - 博客园