STM32F103C8T6单片机内部执行原理及启动流程详解

引言：为什么深入理解STM32启动流程很重要？

STM32F103C8T6作为嵌入式开发中最常用的单片机之一，其内部执行原理和启动流程是理解嵌入式系统底层运行机制的核心。无论是开发Bootloader、调试HardFault异常，还是优化系统启动速度，都需要对这两部分有深入掌握。本文将从硬件架构到软件执行，全方位解析STM32F103C8T6的工作原理，配合代码示例和实战技巧，帮助你彻底搞懂单片机从"上电"到"运行main函数"的全过程。

一、STM32F103C8T6内部执行原理

1.1 核心架构：Cortex-M3内核与哈佛结构

STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3内核，采用哈佛架构（ Harvard Architecture ），将指令存储和数据存储分离为两条独立总线：

• I-Code总线：专门用于取指（32位宽），可一次读取两条16位Thumb指令

• D-Code总线：专门用于数据访问（32位宽），支持字节/半字/字操作

这种架构的优势在于指令读取和数据访问可并行执行，大幅提升运行效率。相比传统51单片机的冯·诺依曼结构（指令和数据共享总线），哈佛结构在高主频下的性能优势尤为明显。

1.2 三级流水线：指令执行的"工厂流水线"

Cortex-M3内核采用三级流水线设计，将指令执行分为三个阶段并行处理：

1. 取指（Fetch）：从Flash或指令缓存读取指令，由预取单元（Prefetch Unit）完成，支持指令预取缓冲

2. 解码（Decode）：解析指令操作码和操作数，生成控制信号

3. 执行（Execute）：由ALU（算术逻辑单元）、乘法器等执行运算，访问寄存器或存储器

流水线工作时序：

• 时钟周期1：指令1取指

• 时钟周期2：指令1解码，指令2取指

• 时钟周期3：指令1执行，指令2解码，指令3取指

这种并行处理使Cortex-M3在72MHz主频下可实现1.25 DMIPS/MHz的性能（约90 DMIPS ）。

1.3 存储器系统： Flash 、RAM与地址映射

STM32F103C8T6的存储器资源如下：

• Flash：64KB（地址范围：0x08000000~0x0800FFFF），用于存储程序代码和常量

• SRAM：20KB（地址范围：0x20000000~0x20004FFF），用于存储变量和堆栈

存储器映射规则：

Cortex-M3支持4GB地址空间，STM32将其划分为多个区域：

• 0x00000000~0x1FFFFFFF：代码区（Flash/系统存储器/SRAM，通过启动模式映射）

• 0x20000000~0x3FFFFFFF：SRAM区

• 0x40000000~0x5FFFFFFF：外设寄存器区（APB1/APB2/AHB外设）

• 0xE0000000~0xE00FFFFF：内核外设区（NVIC、SysTick等）

1.4 总线架构：AHB与APB总线矩阵

STM32采用多级总线架构，通过总线矩阵（ Bus Matrix ）协调各主设备（ CPU 、DMA）对从设备（ Flash 、SRAM、外设）的访问：

• AHB总线（Advanced High-performance Bus）：最高72MHz，连接高性能外设（Flash、SRAM、 DMA、LCD控制器等）

• APB1总线：最高36MHz，连接低速外设（USART2/3、I2C、SPI2等）

• APB2总线：最高72MHz，连接高速外设（GPIO、USART1、SPI1、ADC等）

1.5 时钟系统：从晶振到外设的" 时间管理者"

STM32的时钟系统是最复杂也最核心的部分之一，支持5种时钟源：

• HSI：内部高速RC振荡器（8MHz，精度±1%）

• HSE：外部高速晶振（4~16MHz，通常接8MHz）

• LSI：内部低速RC振荡器（40kHz，用于独立看门狗）

• LSE：外部低速晶振（32.768kHz，用于RTC）

• PLL：锁相环倍频器（输入可接HSI/2、HSE或HSE/2，倍频2~16倍，最高输出72MHz）

典型时钟树配置（ HSE=8MHz ）：

HSE → PLL输入（不分频）→ PLL倍频9倍 → PLL输出72MHz → 作为SYSCLK（系统时钟）

• AHB分频1 → HCLK=72MHz（CPU主频）

• APB1分频2 → PCLK1=36MHz

• APB2分频1 → PCLK2=72MHz

二、 STM32F103C8T6启动流程详解

2.1 启动模式： BOOT引脚如何决定程序从哪里启动？

STM32的启动模式由BOOT0和BOOT1引脚的电平决定，共三种模式：

BOOT1

BOOT0

启动模式

映射地址

用途

主Flash启动

0x08000000

正常运行用户程序（默认模式）

系统存储器启动

0x1FFFF000

通过串口下载程序（ISP模式）

SRAM启动

0x20000000

调试临时程序

（掉电不保存）

关键细节：

• 复位时BOOT引脚电平被锁存，修改后需复位生效

• 主Flash启动时，0x00000000地址被映射到0x08000000（Flash首地址）

• 系统存储器启动时，执行ST出厂预置的Bootloader（支持USART1下载）

2.2 复位序列：上电后CPU首先做什么？

当STM32上电或复位（ NRST引脚拉低）后，硬件自动执行以下步骤：

1. 初始化状态寄存器：清除中断标志，设置默认优先级

2. 读取向量表前两项：

◦ 从0x00000000读取MSP初始值（栈顶指针）

◦ 从0x00000004读取复位向量（Reset_Handler函数地址）

3. 跳转执行Reset_Handler：CPU将PC指针设置为复位向量地址，开始执行启动代码

2.3 启动文件解析： startup_stm32f10x_md.s的秘密

启动文件（汇编编写）是连接硬件复位和C语言环境的桥梁，以 startup_stm32f10x_md .s

（中等容量设备）为例，主要完成以下工作：

2.3.1 堆栈定义

Stack_Size      EQU     0x00000400  ; 栈大小1KBAREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size  ; 分配栈空间
__initial_sp    ; 栈顶地址（栈从高地址向低地址生长）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   ; 分配堆空间
__heap_limit    ; 堆结束地址

2.3.2 中断向量表

AREA    RESET, DATA, READONLYEXPORT  __VectorsEXPORT  __Vectors_EndEXPORT  __Vectors_Size__Vectors       DCD     __initial_sp               ; 0: 栈顶指针DCD     Reset_Handler              ; 1: 复位中断DCD     NMI_Handler                ; 2: NMI中断DCD     HardFault_Handler          ; 3: 硬件错误中断; ... 其他中断向量（共68个）
__Vectors_End__Vectors_Size  EQU     __Vectors_End - __Vectors  ; 向量表大小

2.3.3 复位处理函数（ Reset_Handler）

复位后执行的第一个函数，负责初始化硬件和C环境：

Reset_Handler   PROCEXPORT  Reset_Handler             [WEAK]IMPORT  SystemInit                ; 引入系统初始化函数IMPORT  __main                    ; 引入C库初始化函数; 1. 设置栈指针（已由硬件读取__initial_sp完成）; 2. 初始化数据段（.data）ldr     r0, =_sdata               ; 数据段目标地址（RAM）ldr     r1, =_edata               ; 数据段结束地址ldr     r2, =_sidata              ; 数据段源地址（Flash）movs    r3, #0
LoopCopyDataInit:cmp     r0, r1                    ; 复制未完成？ittt    ltldrlt   r4, [r2], #4              ; 从Flash读取数据strlt   r4, [r0], #4              ; 写入RAMblt     LoopCopyDataInit          ; 循环复制; 3. 初始化BSS段（清零）ldr     r2, =_sbss                ; BSS段起始地址ldr     r4, =_ebss                ; BSS段结束地址movs    r3, #0
LoopFillZerobss:cmp     r2, r4                    ; 清零未完成？itt     ltstrlt   r3, [r2], #4              ; 写入0blt     LoopFillZerobss           ; 循环清零; 4. 调用SystemInit配置系统时钟bl      SystemInit; 5. 调用__main初始化C库，最终跳转到main函数bl      __mainENDP

关键步骤解析：

• 数据段（.data）复制：将Flash中存储的已初始化全局变量复制到RAM

• BSS段清零：将未初始化全局变量在RAM中清零

• SystemInit：配置系统时钟（默认使用HSI，可修改为HSE+PLL=72MHz）

• __main：C库函数，初始化堆和栈，调用全局构造函数（C++），最终跳转到用户

2.4 SystemInit函数：时钟配置的核心

SystemInit函数（位于system_stm32f10x.c）负责系统时钟初始化，默认配置如下：

void SystemInit(void) {/* 复位RCC寄存器到默认状态 */RCC->CR |= 0x00000001U;                  // 使能HSIRCC->CFGR &= 0xF8FF0000U;                // 复位时钟配置寄存器RCC->CR &= 0xFEF6FFFFU;                  // 关闭HSE、CSS、PLLRCC->CR &= 0xFFFBFFFFU;                  // 关闭HSE旁路RCC->CFGR &= 0xFF80FFFFU;                // 复位PLL配置/* 配置向量表偏移（默认在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
}

默认时钟：HSI（8MHz）作为系统时钟，未启用PLL，如需72MHz需修改SetSysClock函数：

static void SetSysClockTo72(void) {RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;                 // 使能HSEwhile((RCC->CR & RCC_CR_HSERDY) == 0);   // 等待HSE就绪RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_HSE;        // PLL输入=HSERCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9;          // PLL倍频9倍（8MHz*9=72MHz）RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;                 // 使能PLLwhile((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0);   // 等待PLL就绪FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE;          // 使能Flash预取FLASH->ACR &= ~FLASH_ACR_LATENCY;FLASH->ACR |= FLASH_ACR_LATENCY_2;       // Flash等待周期=2（72MHz时）RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;            // 系统时钟=PLL输出while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_PLL); // 等待切换完成
}

三、代码示例与实战解析

3.1 启动流程验证：通过LED观察启动阶段

硬件连接： LED接PC13（低电平点亮）

代码实现：

// main.c
#include "stm32f10x.h"// 延时函数
void Delay(__IO uint32_t nCount) {while(nCount--) {}
}int main(void) {// 使能GPIOC时钟（APB2外设）RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;// 配置PC13为推挽输出GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13);GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;  // 输出模式，最大速度10MHzwhile (1) {GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_ODR13;   // 翻转PC13电平Delay(0xFFFFF);                 // 延时}
}

启动阶段分析：

1. 上电后LED不亮（系统初始化阶段）

2. SystemInit执行完毕后，LED开始闪烁（main函数执行）

3. 若LED不闪烁，可能是时钟配置错误或启动文件选择不当（需使用 startup_stm32f10x_md .s）

3.2 中断向量表重映射：从RAM启动时的配置

当使用SRAM启动或IAP升级时，需将向量表重映射到RAM：

// 在SystemInit或main中配置
void VectorTableRemap(void) {// 将Flash中的向量表复制到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++) {                  // 复制68个中断向量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 启动时间优化：从72ms到15ms的实战技巧

默认启动时间：约72ms（含Flash擦写、C库初始化等）

优化方法：

1. 关闭不必要的外设时钟：

在SystemInit中仅使能必要外设时钟（如GPIO、USART）

2. 优化Flash访问：

使能预取缓冲区（FLASH_ACR_PRFTBE=1），设置正确等待周期（72MHz时=2）

3. 跳过C库初始化：

若不使用全局构造函数，可在启动文件中直接跳转到main：

; 在Reset_Handler中替换bl __main为bl main
bl SystemInit
bl main        ; 直接调用main，跳过__libc_init_array

4. 使用HSI快速启动：

若对时钟精度要求不高，使用HSI（8MHz）可避免HSE晶振启动延时

四、常见问题与调试技巧

4.1 启动失败排查清单

现象

可能原因

解决方案

程序无反应

BOOT0引脚接高电平（进入 ISP模式）

将BOOT0接地，复位芯片

HardFault异常

栈溢出或非法内存访问

增大栈大小（Stack_Size），检查指针操作

现象

可能原因

解决方案

时钟配置后死机

PLL倍频过高（超过72MHz）

重新计算PLL参数，确保输出 ≤72MHz

全局变量初始化失败

.data或.bss段地址配置错误

检查链接脚本（ .ld）中的RAM 地址和大小

4.2 使用ST-Link调试启动过程

1. 查看寄存器状态：

复位后暂停，查看 SP 是否等于 ___initial_sp， PC 是否指向 Reset_Handler

2. 设置断点：

在 Reset_Handler 、SystemInit、main 函数设置断点，观察执行流程

3. 查看内存：

检查 0x20000000(RAM起始地址）是否已复制.data段数据，.bss段是否清零

总结与扩展

本文详细解析了STM32F103C8T6的内部执行原理（哈佛架构、三级流水线、存储器映射、时钟系统）和启动流程（复位序列、启动模式、启动文件、SystemInit），并通过代码示例展示了实战应用。掌握这些知识后，你可以：

开发自定义Bootloader，实现IAP固件升级
优化系统启动速度，满足实时性要求
快速定位HardFault等底层异常

推荐扩展阅读：

《STM32F103参考手册（RM0008）》：深入了解寄存器配置
《Cortex-M3权威指南》：理解内核架构和异常处理
STM32CubeMX：图形化配置时钟和外设，自动生成初始化代码

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附录：关键地址速查表

名称	地址范围	用途
Flash	0x08000000~0x0800FFFF	程序代码存储
SRAM	0x20000000~0x20004FFF	变量和堆栈
向量表（默认）	0x08000000~0x08000107	中断服务函数地址数组
RCC寄存器	0x40021000~0x400213FF	时钟控制寄存器
GPIO寄存器	0x40010800~0x40010BFF （GPIOC）	GPIO控制寄存器