Flash引导过程

Tutorial: 卓越工程师 Category: 嵌入式 Published: 2026-10-23 11:05:29 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

200.2.8 Flash引导过程

UART_HandleTypeDef huart1;                   /* usart.c：定义 USART1 的 HAL 句柄，保存硬件实例、配置和运行状态。 */

void MX_USART1_UART_Init(void)               /* CubeMX 生成的 USART1 参数初始化函数。 */
{                                            /* USART1 初始化函数开始。 */
    huart1.Instance = USART1;                /* 让句柄指向 USART1 寄存器组，其基地址最终为 0x40013800。 */
    huart1.Init.BaudRate = 115200;           /* 设置波特率为 115200 bit/s。 */
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; /* 设置数据字长为 8 位。 */
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;  /* 设置 1 个停止位。 */
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;   /* 不使用奇偶校验。 */
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;      /* 同时使能发送和接收。 */
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; /* 不使用 RTS/CTS 硬件流控制。 */
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; /* 使用 16 倍过采样。 */
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)    /* 把句柄地址交给 HAL，并检查初始化是否成功。 */
    {                                        /* HAL 初始化失败分支开始。 */
        Error_Handler();                     /* 进入 CubeMX 工程统一的错误处理函数。 */
    }                                        /* HAL 初始化失败分支结束。 */
}                                            /* USART1 初始化函数结束。 */

#define FLASH_BASE      0x08000000UL         /* stm32f103xe.h：主 Flash 的物理基地址。 */
#define SRAM_BASE       0x20000000UL         /* stm32f103xe.h：片上 SRAM 的基地址。 */
#define PERIPH_BASE     0x40000000UL         /* stm32f103xe.h：外设地址空间的基地址。 */
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000UL) /* APB2 外设区基地址，计算结果为 0x40010000。 */
#define USART1_BASE     (APB2PERIPH_BASE + 0x00003800UL) /* USART1 基地址，计算结果为 0x40013800。 */
#define USART1          ((USART_TypeDef *)USART1_BASE) /* 把数值基地址转换成 USART 寄存器结构体指针。 */

typedef struct                               /* stm32f103xe.h：用结构体成员偏移描述 USART 寄存器布局。 */
{                                            /* USART 寄存器结构体开始。 */
    __IO uint32_t SR;                        /* 偏移 0x00：状态寄存器。 */
    __IO uint32_t DR;                        /* 偏移 0x04：数据寄存器。 */
    __IO uint32_t BRR;                       /* 偏移 0x08：波特率寄存器。 */
    __IO uint32_t CR1;                       /* 偏移 0x0C：控制寄存器 1。 */
    __IO uint32_t CR2;                       /* 偏移 0x10：控制寄存器 2。 */
    __IO uint32_t CR3;                       /* 偏移 0x14：控制寄存器 3。 */
    __IO uint32_t GTPR;                      /* 偏移 0x18：保护时间与预分频寄存器。 */
} USART_TypeDef;                             /* 定义 USART 寄存器映射类型。 */

void USART1_IRQHandler(void)                /* stm32f1xx_it.c：USART1 的芯片中断入口。 */
{                                            /* USART1 中断服务函数开始。 */
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);            /* 交给 HAL 根据寄存器标志和句柄状态处理本次中断。 */
}                                            /* USART1 中断服务函数结束。 */

void USART2_IRQHandler(void)                /* stm32f1xx_it.c：USART2 的芯片中断入口。 */
{                                            /* USART2 中断服务函数开始。 */
    HAL_UART_IRQHandler(&huart2);            /* 交给 HAL 处理 USART2 的发送、接收或错误事件。 */
}                                            /* USART2 中断服务函数结束。 */

本课补充两个基础问题：STM32F103ZE 复位后为什么能从主 Flash、System Memory 或 SRAM 启动，以及 HAL 如何把 huart1.Instance = USART1最终落实为对 0x40013800附近硬件寄存器的访问。

最需要纠正的概念是：STM32 不是先在 0x00000000执行一段隐藏代码，再“跳转”到 0x08000000。 复位时，BOOT 引脚决定哪个存储区域成为启动空间；处理器从启动地址 0x00000000读取初始 MSP，从 0x00000004读取复位入口。主 Flash 或 System Memory 启动时，硬件通过地址别名让相应存储内容出现在启动窗口，无须复制固件。

一、单片机引导flash启动

1.1 STM32的地址映射

1.1.1 地址映射与地址别名

STM32F103ZE 的主 Flash 物理基地址为 0x08000000。当 BOOT 配置选择主 Flash 时，硬件还让主 Flash 的开头能从启动空间 0x00000000被取到：

复位取向量时看到的地址       对应的主 Flash 内容
0x00000000                 ↔ 0x08000000：初始 MSP
0x00000004                 ↔ 0x08000004：Reset_Handler

这叫 alias（地址别名/映射）：两组地址在启动场景下指向同一份存储内容，并不是把 Flash 复制了一遍。CPU 从 0x00000004读出的向量值通常仍是链接器生成的 0x0800xxxx | 1，随后便从主 Flash 的物理地址取指。

同理，选择 System Memory 时，工厂 Bootloader 所在的 System Memory 成为启动空间。选择 SRAM 时，STM32F1 使用专门的启动机制；SRAM 本身仍在 0x20000000，应用初始化时还需要正确安排 SRAM 向量表。

ST 的 RM0008 参考手册明确说明：BOOT 引脚在复位后被采样，CPU 随后从 0x00000000取得栈顶、从 0x00000004开始执行启动存储器中的复位入口。

1.1.2 BOOT0、BOOT1选择表

STM32F103 的三种硬件启动方式为：

BOOT1	BOOT0	启动空间	典型用途
任意	0	主 Flash	正常运行用户程序或本课程自定义 Bootloader
0	1	System Memory	运行 ST 出厂写入的 ROM Bootloader，执行 ISP
1	1	片上 SRAM	调试或特殊 RAM 启动场景

BOOT0=0时 BOOT1 无关，因此普通运行最关键的是把 BOOT0可靠拉低。BOOT 引脚在复位时采样，不是程序运行过程中随时切换代码来源的普通开关。

1.1.3 跳线帽对初学者意味着什么

开发板上的 BOOT 跳线通常把引脚接到：

GND：逻辑 0；
3.3V：逻辑 1。

若要经 STM32F103ZE 的工厂串口 Bootloader 下载，常见步骤是：

断电或确保操作安全后，把 BOOT0 接到 1、BOOT1 接到 0；
重新上电或按复位键，使 BOOT 引脚被重新采样；
通过指定的 USART1 引脚与上位机 Bootloader 工具通信；
下载完成后把 BOOT0恢复为 0；
再次复位，才从用户 Flash 运行刚烧写的程序。

不能只移动跳线而不复位，因为启动选择已经在上一次复位时锁存。也不要让 BOOT 引脚悬空；具体三针跳线的 3.3V、BOOT、GND排列必须看板上丝印或原理图，错误短接可能直接把电源与地相连。

1.1.4 ICP、ISP、IAP不要混淆

视频思维导图列出了三种固件写入/升级方式：

名称	本课语境	是否依赖 ST 工厂 Bootloader	BOOT 引脚要求
ICP（In-Circuit Programming）	用 ST-LINK 经 SWD/JTAG 在板编程	否	通常可保持主 Flash 启动配置
ISP（In-System Programming）	进入 System Memory，经 ST ROM Bootloader 和 USART1 下载	是	F103 通常设 BOOT0=1、BOOT1=0 后复位
IAP（In-Application Programming）	由用户固件在系统内接收并改写另一段 Flash	否，运行的是用户自己的 Bootloader	本课程保持 BOOT0=0，从主 Flash 启动

ST-LINK 是调试/编程器，常用 SWD，也可使用器件支持的 JTAG；“用 ST-LINK 烧写”不等于“从 System Memory 启动”。

1.2 单片机复位进入IAP升级模式（准确说是进入 ISP/System Memory）

原标题把 BOOT0 置 1进入工厂 Bootloader 称为 IAP，概念上应更正为 ISP/System Memory 启动。两条流程如下。

工厂 Bootloader/ISP：

BOOT1=0、BOOT0=1
  → 复位
  → System Memory 成为启动空间
  → 运行 ST 出厂写入的 ROM Bootloader
  → 通过 USART1 接收命令和固件
  → 改写主 Flash
  → BOOT0 改回 0并再次复位
  → 从主 Flash 运行用户程序

本课程自定义 IAP：

BOOT0=0
  → 复位后始终从 0x08000000 的用户 Flash 启动
  → 先运行课程 Bootloader
  → 读取 0x08006000 的升级标志
  → 必要时经 USART2/YMODEM 把 APP 写入 0x08008000
  → 软件跳转 APP

二者虽然都能更新主 Flash，但 Bootloader 的所有者和所在位置不同：

ST 工厂 Bootloader 位于 System Memory，生产时写入，普通的主 Flash 擦除不会删除它；
课程 Bootloader 位于用户主 Flash 的 0x08000000～0x08005FFF，整片擦除会把它一起删除。

对 STM32F10xxx 高密度器件，ST 官方资料给出的工厂 Bootloader 位于从 0x1FFFF000开始的 2 KiB System Memory，并使用 USART1。详细接口和引脚要求应查 AN2606：System Memory Boot Mode，不能把其他 STM32 系列支持的 USB、CAN 或其他串口直接套到 F103ZE。

工厂 Bootloader 的串口参数也不能照搬本工程配置：AN2606 为该器件列出 USART1 的 8 数据位、偶校验、1 停止位（8E1），而下文配套工程的 huart1是 115200 8N1；两者属于不同程序，必须分别按对应协议配置上位机。

主 Flash 正常启动后的流程仍是：

从启动向量首项装载 MSP
  → 从第二项进入 Reset_Handler
  → 调用 SystemInit
  → 进入 C 运行库 __main
  → 初始化 .data/.bss
  → 调用用户 main

这与第 199 课的软件跳 APP相似，但硬件复位会重新建立复位状态，而 Bootloader 的函数指针跳转不会自动复位所有外设。

1.3 STM32F103ZE

1.3.1 芯片手册地址分配

视频查看的是 STM32F103xC/xD/xE 数据手册中的 Memory mapping 图。与本项目直接相关的地址如下：

区域	起始地址	末地址	本器件容量或用途
启动别名窗口	`0x00000000`	由所选启动区域决定	供复位向量获取，不是另一块独立存储器
主 Flash	`0x08000000`	`0x0807FFFF`	512 KiB；放 Bootloader、参数和 APP
System Memory	`0x1FFFF000`	`0x1FFFF7FF`	2 KiB；放 ST 工厂 Bootloader
Option Bytes	`0x1FFFF800`	`0x1FFFF80F`	读保护、写保护等选项字节
SRAM	`0x20000000`	`0x2000FFFF`	64 KiB
外设地址空间起点	`0x40000000`	—	APB/AHB 外设寄存器映射起点
USART1 区域	`0x40013800`	`0x40013BFF`	USART1 寄存器所在的 APB2 地址块

这些数值与配套工程 stm32f103xe.h中的 FLASH_BASE、FLASH_BANK1_END、SRAM_BASE、PERIPH_BASE完全一致，也可在 STM32F103ZE 数据手册的内存映射图中核对。

视频已在约 4 分 24 秒主动纠正上一课口误：SRAM 末地址是 0x2000FFFF，不是 0x20010000或 0x2000E000。0x20010000是末端后一地址，可作为向下增长栈的初始上边界，但它本身不是 SRAM 中可存放一个字节的位置。

1.3.1.1 32位地址空间的准确理解

Cortex-M3 使用 32 位地址，理论地址空间包含：

2^32 = 4,294,967,296 个字节地址
最低地址 = 0x00000000
最高地址 = 2^32 - 1 = 0xFFFFFFFF
总地址空间 = 4 GiB

这不表示 STM32F103ZE 内部真的有 4 GiB 存储器。绝大多数地址是外设映射区、保留区或未实现空间；本器件实际只有 512 KiB Flash 和 64 KiB SRAM。

“因为有 32 根地址总线，所以叫 32 位单片机”也不够准确。Cortex-M3 的“32 位”主要描述其体系结构、通用寄存器和主要数据处理宽度；封装外部并不存在供用户直接使用的 32 根完整地址引脚。

1.3.2 代码分析

本节通过 USART1 展示“手册中的地址如何变成 C 代码中的寄存器访问”。完整关系是：

芯片手册规定 USART1 基地址 0x40013800
  → stm32f103xe.h 用宏计算 USART1_BASE
  → USART1 宏把该整数地址转为 USART_TypeDef *
  → huart1.Instance 保存这个寄存器结构体指针
  → HAL_UART_Init(&huart1) 根据 Init 参数读写相应寄存器

这里没有在 0x40013800真正创建一个普通 C 结构体对象。USART_TypeDef只是让编译器按成员偏移生成对内存映射寄存器的读写指令。

1.3.2.1 例题: USART1外设基地址分析

UART_HandleTypeDef是 HAL 的“软件句柄”，其中最关键的两部分是：

Instance：指向具体 USART 寄存器组；
Init：保存波特率、字长、停止位、校验、收发模式、流控和过采样等配置。

所以：

huart1.Instance = USART1; /* 选定 USART1 这组硬件寄存器，而不是 USART2、USART3。 */

右侧 USART1宏最终是一个 USART_TypeDef *，左侧 Instance字段的类型也是 USART_TypeDef *，两者类型匹配。

USART_TypeDef中每个字段均为 uint32_t，所以本结构里的相邻寄存器偏移增加 4 字节：

成员	偏移	实际地址	作用
`SR`	`0x00`	`0x40013800`	状态寄存器
`DR`	`0x04`	`0x40013804`	数据寄存器
`BRR`	`0x08`	`0x40013808`	波特率寄存器
`CR1`	`0x0C`	`0x4001380C`	控制寄存器 1
`CR2`	`0x10`	`0x40013810`	控制寄存器 2
`CR3`	`0x14`	`0x40013814`	控制寄存器 3
`GTPR`	`0x18`	`0x40013818`	保护时间与预分频寄存器

“每个寄存器都占 4 字节”只适用于这里列出的 USART 寄存器布局，不能推广成所有 MCU、所有外设寄存器都一定如此。判断偏移必须看对应参考手册和设备头文件。

成员前的 __IO在当前 CMSIS 中展开为 volatile，表示寄存器可读可写，且每次 C 表达式访问都必须落实为实际硬件访问，不能像普通 RAM 变量那样被编译器随意缓存或删除。

1.3.2.2 例题: USART1_BASE地址分析

原笔记标题中的“urt e base”是 USART1_BASE的识别错误。设备头文件按总线层级计算它：

PERIPH_BASE     = 0x40000000
APB2PERIPH_BASE = PERIPH_BASE + 0x00010000
                = 0x40010000
USART1_BASE     = APB2PERIPH_BASE + 0x00003800
                = 0x40013800

原转录把 0x40013800识别成 0x40013820，并把 0x00010000说成“加 0x0001”，都应以上述头文件实际常量为准。

最后一层宏为：

#define USART1 ((USART_TypeDef *)USART1_BASE) /* 把 0x40013800 解释成 USART 寄存器结构体指针。 */

于是 HAL 或用户代码写 USART1->BRR时，编译器实际访问的是 0x40013800 + 0x08 = 0x40013808。这就是“结构体映射寄存器”的本质。

用 Keil 的 Go To Definition沿着下面的链条追踪，是验证地址的有效方法：

huart1.Instance
  → USART1
  → USART1_BASE
  → APB2PERIPH_BASE
  → PERIPH_BASE

但最终仍应以对应型号的官方数据手册和参考手册为准，不能拿视频开头的 STM32F4 地址图替代 STM32F103ZE 的资料。

二、单片机的配置

CubeMX 图形界面不是在单片机运行时“把配置复制进结构体”，而是在 PC 上 生成 C 源码。编译后的 MCU 每次启动时执行这些赋值语句：

CubeMX/.ioc 中选择参数
  → 生成 MX_USART1_UART_Init()
  → 运行时给 huart1.Instance 和 huart1.Init 各字段赋值
  → 调用 HAL_UART_Init(&huart1)
  → HAL 根据句柄配置 USART 寄存器

配套工程对 USART1 的实际配置为 115200、8 数据位、1 停止位、无校验、收发模式、无硬件流控、16 倍过采样。这通常简称 115200 8N1。

HAL_UART_Init(&huart1)传入的是句柄地址，原因是初始化函数既要读取 Instance和Init，也要更新句柄内部的状态、锁、错误码等成员。只按值传递一个结构体副本，就无法让调用者看到这些状态变化。

HAL 初始化不只计算 BRR：它还会结合 HAL_UART_MspInit()完成或依赖底层资源配置，包括 USART 时钟、TX/RX GPIO，以及需要时的 NVIC。实际调用关系应按当前 HAL 版本源码核对，而不是把所有工作都想象成一个寄存器赋值。

HAL 与标准外设库的主要差异不是“HAL 永远更好”，而是抽象层级不同：

HAL 句柄保存配置、状态、缓冲区和回调信息，接口统一、移植和生成代码方便，但调用路径更长；
较低层接口或直接寄存器代码更贴近硬件，开销和控制更明确，但使用者要自己承担更多细节；
学习时应先会用 HAL，再沿 Instance → 寄存器结构 → 地址宏 → 手册向下追踪，理解封装的边界。

三、串口相关知识点

视频提到的串口接收方式可整理为：

方式	常见 HAL 接口	CPU 行为	适用情况
轮询/阻塞	`HAL_UART_Receive()`	在函数内反复检查状态，直到完成或超时	数据量小、流程简单、允许等待
普通中断	`HAL_UART_Receive_IT()`	启动后返回，串口事件到来时进入 IRQ	固定长度、不能阻塞主循环
空闲事件中断	`HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT()`	数据接收或线路空闲事件触发回调	不定长帧
DMA/空闲事件	`HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()`	DMA搬运数据，CPU主要处理事件和缓冲区	数据量大或接收频繁

对普通中断接收，调用链不是“硬件直接调用 callback”，而是：

USART 硬件置位状态并向 NVIC 请求中断
  → Cortex-M 根据向量表进入 USART1_IRQHandler
  → USART1_IRQHandler 调用 HAL_UART_IRQHandler(&huart1)
  → HAL 检查 SR/CR、更新计数和状态
  → 满足完成或错误条件后调用对应 callback

配套 stm32f1xx_it.c中的 USART1、USART2 中断入口都只有一条 HAL 分发调用，但 stm32f1xx_hal_uart.c中的 HAL_UART_IRQHandler()内部需要处理发送、接收、错误、空闲等多种状态，所以“用户只写一句回调”背后确实有较完整的状态机。

不过，存在 USART2 IRQ 入口不等于本课程 YMODEM 正在用中断接收。本地配套源码的 Serial_Recv_data()实际调用：

return HAL_UART_Receive(&huart2, pData, Size, Timeout); /* YMODEM 当前使用 USART2 阻塞接收并带超时。 */

也就是说，本课后半段对中断与空闲接收的讨论是 HAL 串口机制扩展，不应误写成当前 YMODEM 的实际接收方式。

查看 HAL 底层代码时，建议按一个具体问题逐层追踪，而不是一次阅读整个驱动文件。例如分析中断接收：

从用户调用的 HAL_UART_Receive_IT()开始；
查看它保存了哪些缓冲区、长度和状态；
查看它开启了哪些 USART 中断位；
回到 USARTx_IRQHandler()；
进入 HAL_UART_IRQHandler()，跟踪对应状态分支；
最后确认何时调用 HAL_UART_RxCpltCallback()或错误回调。

这样可以同时练习指针、结构体、位运算、状态机和中断调用链，又不会把 HAL 的封装误认为“单句 API 自动完成一切”。

四、本课易错点汇总

0x00000000是复位启动窗口，不是 STM32F103ZE 主 Flash 的物理基地址；主 Flash 基址是 0x08000000。
主 Flash 启动依靠硬件别名和向量获取，不是隐藏代码先运行再执行普通 C 跳转。
BOOT0=1、BOOT1=0进入的是 ST System Memory Bootloader/ISP，不是课程自定义 IAP。
课程 IAP 的 Bootloader 位于用户 Flash，正常应保持 BOOT0=0。
F103ZE SRAM 字节范围是 0x20000000～0x2000FFFF，共 64 KiB。
32 位地址空间有 2^32个地址，最大地址是 2^32-1 = 0xFFFFFFFF。
USART1 基地址是 0x40013800，不是 0x40013820。
APB2 基地址的增量是 0x00010000，不是 0x0001。
UART_HandleTypeDef.Instance指向寄存器映射结构体；它本身不是硬件寄存器组。
USART_TypeDef成员间隔 4 字节是当前外设的具体布局，不能推广到所有寄存器。
CubeMX 在 PC 上生成初始化赋值代码，不是在 MCU 运行时读取 .ioc文件。
回调前还经过芯片 IRQ 入口和 HAL_UART_IRQHandler()；当前 YMODEM 接收则实际使用阻塞接口。

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