设备树、Bootloader、NAND Flash与STM32启动流程详解
引言
在嵌入式系统开发中，设备树(Device Tree)、Bootloader(引导加载程序)和NAND Flash是三个常见的概念，它们在不同的嵌入式平台中扮演着不同的角色。对于STM32微控制器，理解这些概念以及启动流程对于开发稳定可靠的应用至关重要。本文将详细介绍这些概念，并重点解析STM32微控制器的启动过程。
设备树详解
基本概念与作用
设备树是一种描述硬件配置的数据结构，以树状结构表示系统中的硬件组件、它们的连接关系和属性。
主要作用：
- 将硬件配置与软件代码分离，提高代码可移植性
- 动态描述硬件资源，避免硬编码
- 简化驱动开发，统一硬件描述方式
- 支持运行时硬件配置的修改
设备树通常以.dts(Device Tree Source)文件编写，经过编译后生成.dtb(Device Tree Blob)二进制文件，供操作系统或Bootloader读取。
在STM32中的应用
对于普通的STM32项目，通常不需要使用设备树。设备树主要应用于以下场景：
- 运行嵌入式Linux的复杂系统（如STM32MP1系列）
- 使用高级RTOS且需要硬件抽象的复杂应用
- 需要支持多种硬件配置的通用平台
对于标准STM32应用，硬件配置通常直接在代码中定义，使用HAL库或寄存器直接操作硬件，无需设备树的抽象层。
Bootloader详解
基本概念与功能
Bootloader是上电后执行的第一段程序，负责初始化硬件并加载主应用程序。
主要功能：
- 基础硬件初始化（时钟、内存等）
- 检测启动模式和条件
- 加载应用程序到RAM或直接从Flash执行
- 提供程序更新机制
- 执行安全检查和验证
类型与特点
Bootloader可分为多个层次：
一级Bootloader：通常固化在芯片ROM中，不可修改
- STM32的系统内存Bootloader就属于这类
- 功能简单但高度可靠
二级Bootloader：存储在Flash中，可更新
- 提供更丰富的功能，如多应用选择、加密验证等
- 可根据应用需求定制
在STM32中的应用
STM32微控制器内置了出厂Bootloader，存储在系统内存中，不可修改。此外，开发者还可以实现自定义Bootloader。
STM32内置Bootloader特点：
- 支持通过UART、USB、CAN等接口更新固件
- 通过BOOT引脚配置激活（通常BOOT0=1）
- 支持读写Flash、SRAM和选项字节
- 支持跳转执行应用程序
自定义Bootloader应用场景：
- 实现固件加密和安全启动
- 支持远程固件更新(OTA)
- 实现多固件管理和回滚机制
- 添加自定义通信协议
NAND Flash详解
基本概念与特点
NAND Flash是一种非易失性存储器，以块(Block)为单位擦除，以页(Page)为单位读写。
主要特点：
- 高存储密度，适合大容量存储
- 擦写次数有限（通常10,000-100,000次）
- 需要坏块管理和错误检测与修正(ECC)
- 不支持随机字节访问，需要按页读写
与NOR Flash的对比
| 特性 | NAND Flash | NOR Flash |
|---|---|---|
| 存储密度 | 高 | 低 |
| 成本 | 低 | 高 |
| 读取速度 | 较慢 | 快 |
| 写入速度 | 快 | 慢 |
| 擦除速度 | 快 | 慢 |
| 擦除单位 | 大块(64KB-2MB) | 小块(4KB-128KB) |
| 随机访问 | 页级访问 | 字节级访问 |
| XIP支持 | 不支持 | 支持 |
| 主要应用 | 大容量数据存储 | 代码存储和执行 |
在STM32中的应用场景
大多数STM32项目不需要使用NAND Flash，通常使用：
- 内部Flash：STM32自带NOR Flash，从几KB到2MB不等
- 外部SPI NOR Flash：如W25Qxx系列，容量从512KB到16MB
- SD卡/eMMC：需要文件系统时的常用选择
需要NAND Flash的场景：
- 需要大容量存储（数GB）的应用
- 需要高速数据记录的场景
- 成本敏感但需要大容量的产品
使用NAND Flash需要额外的控制器或软件支持，处理ECC和坏块管理，增加了开发复杂度。
STM32启动流程
STM32微控制器上电后的启动流程相对简单但灵活，下面详细介绍从上电到应用程序运行的完整过程。
1. 上电复位阶段
当STM32上电或收到复位信号时：
- 复位电路激活，将芯片重置到初始状态
- 所有寄存器恢复默认值
- 内部RC振荡器(HSI)自动启动作为系统时钟
- GPIO引脚设置为默认状态（通常为浮空输入）
2. 启动模式选择
STM32根据BOOT引脚的状态选择启动模式：
主闪存启动：BOOT0=0
- 从内部Flash启动用户程序（最常用模式）
系统存储器启动：BOOT0=1, BOOT1=0
- 启动内置的出厂Bootloader
- 用于通过串口、USB等接口下载程序
SRAM启动：BOOT0=1, BOOT1=1
- 从内部SRAM执行代码
- 主要用于调试或特殊应用
3. 向量表加载
无论哪种启动模式，STM32都会：
- 加载向量表（从0x00000000或重映射地址）
- 获取初始堆栈指针值（向量表第一个条目）
- 获取复位处理程序地址（向量表第二个条目）
向量表结构：
地址 0x00000000: 初始堆栈指针值
地址 0x00000004: 复位处理程序地址
地址 0x00000008: NMI处理程序地址
地址 0x0000000C: 硬故障处理程序地址
...其他中断向量...
4. 系统初始化
STM32执行复位处理程序，通常包括：
- 调用
SystemInit()函数配置时钟系统 - 初始化C/C++运行环境
- 跳转到
main()函数开始执行用户代码
启动文件中的典型代码（以ARM汇编为例）：
; Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT SystemInit
IMPORT __main
LDR R0, =SystemInit ; 加载SystemInit函数地址
BLX R0 ; 调用SystemInit函数
LDR R0, =__main ; 加载__main函数地址
BX R0 ; 跳转到__main函数
ENDP
5. 应用程序执行
用户程序通常执行以下初始化步骤：
- 配置系统时钟（如使用外部晶振、PLL倍频等）
- 初始化所需外设（GPIO、UART、SPI等）
- 初始化中断系统（优先级、使能等）
- 初始化应用程序所需的其他组件
- 进入主循环，开始执行应用逻辑
典型的用户程序结构：
int main(void)
{
/* 禁用中断 */
__disable_irq();
/* 配置系统时钟 */
SystemClock_Config();
/* 初始化外设 */
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
MX_SPI1_Init();
/* 初始化外部组件 */
W25QXX_Init(); // 例如外部Flash
/* 启用中断 */
__enable_irq();
/* 主循环 */
while (1)
{
/* 应用代码 */
}
}
STM32启动流程图
┌─────────────┐
│ 上电/复位 │
└──────┬──────┘
▼
┌─────────────┐
│ 检查BOOT引脚│
└──────┬──────┘
▼
┌───────────────┐
│ 启动模式选择 │
└───┬───────┬───┘
│ │
┌──────────▼──┐ │ ┌──────────▼──┐
│ 主闪存启动 │ │ │系统存储器启动│
│ (BOOT0=0) │ │ │ (BOOT0=1) │
└──────┬──────┘ │ └──────┬───────┘
│ │ │
│ │ ▼
┌──────▼──────┐ │ ┌─────────────┐
│ 加载用户 │ │ │ 执行出厂 │
│ 向量表 │ │ │ Bootloader │
└──────┬──────┘ │ └──────┬──────┘
│ │ │
│ │ ┌─────▼─────┐
│ │ │ 等待并处理│
│ │ │ 下载命令 │
│ │ └─────┬─────┘
│ │ │
│ └─────┐ │
│ ▼ ▼
┌──────▼──────────────────────┐
│ 初始化堆栈指针 │
└──────┬──────────────────────┘
▼
┌─────────────────────────────┐
│ 跳转到复位处理程序 │
└──────┬──────────────────────┘
▼
┌─────────────────────────────┐
│ 系统初始化 │
│ (时钟、外设、中断等) │
└──────┬──────────────────────┘
▼
┌─────────────────────────────┐
│ 执行main函数 │
└─────────────────────────────┘
不同复杂度STM32系统的启动需求
根据系统复杂度，STM32的启动需求可分为三类：
1. 简单系统（如传感器节点、控制器）
典型配置：
- 使用内部Flash存储程序
- 直接从主Flash启动
- 无需自定义Bootloader
- 无需设备树
- 无需NAND Flash
启动流程：
- 上电
- 从内部Flash加载程序
- 初始化系统
- 执行应用程序
2. 中等复杂度系统（如工业控制器、智能设备）
典型配置：
- 使用内部Flash + 外部SPI NOR Flash
- 自定义简单Bootloader
- 无需设备树
- 可能使用外部SDRAM
- 通常不使用NAND Flash
启动流程：
- 上电
- 执行内部Flash中的Bootloader
- 初始化外部存储器
- 加载并验证应用程序
- 跳转到应用程序
3. 高复杂度系统（如STM32MP1运行Linux）
典型配置：
- 多级Bootloader（如ROM、SPL、U-Boot）
- 设备树描述硬件
- 可能使用NAND Flash或eMMC
- 外部DDR内存
- 完整操作系统
启动流程：
- ROM Bootloader初始化基本硬件
- 加载第一阶段Bootloader
- 初始化内存控制器和关键外设
- 加载主Bootloader
- 加载设备树和内核
- 启动操作系统
- 运行应用程序
实际开发建议
开发板上电准备
检查跳线配置：
- 确认BOOT0/BOOT1引脚设置正确
- 通常开发时设置BOOT0=0（从主Flash启动）
- 下载程序时可能需要设置BOOT0=1（进入Bootloader）
电源连接：
- 确保电源稳定且电压正确
- 使用USB供电时，确保USB电缆质量良好
调试器连接：
- 如使用ST-Link/J-Link，确保正确连接
- 检查驱动程序是否已安装
系统初始化顺序示例
int main(void)
{
/* 1. 禁用中断，防止初始化过程被打断 */
__disable_irq();
/* 2. 配置时钟系统 - 首要任务 */
SystemClock_Config();
/* 3. 初始化核心外设 */
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init(); // 调试串口优先初始化
/* 4. 初始化其他外设 */
MX_SPI1_Init();
MX_I2C1_Init();
/* 5. 初始化外部组件 */
W25QXX_Init(); // 外部Flash
LCD_Init(); // 显示屏
/* 6. 初始化应用层组件 */
FileSystem_Init(); // 文件系统
/* 7. 启用中断，所有初始化完成后再开启 */
__enable_irq();
/* 8. 应用启动提示 */
printf("System initialized successfully\r\n");
/* 9. 主循环 */
while (1)
{
/* 应用代码 */
}
}
错误处理示例
void Error_Handler(void)
{
/* 关闭所有中断 */
__disable_irq();
/* 指示错误（如闪烁LED） */
while (1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(ERROR_LED_GPIO_Port, ERROR_LED_Pin);
HAL_Delay(200);
}
}
总结
回到原问题：“如果要启动一个STM32板子，需要用到这些吗，上电之后的流程和过程是什么呢？”
是否需要这些技术？
设备树：对于普通STM32项目，不需要。设备树主要用于运行Linux的复杂系统。
Bootloader：STM32已内置出厂Bootloader，所以基本功能已经具备，可以直接使用。但对于需要特殊功能（如OTA升级、安全启动）的项目，可能需要开发自定义Bootloader。
NAND Flash：大多数STM32项目不需要。通常使用内部Flash或外部SPI NOR Flash即可满足存储需求。
STM32上电后的流程
- 上电/复位：芯片重置到初始状态
- 启动模式选择：根据BOOT0/BOOT1引脚状态选择启动模式
- 向量表加载：加载堆栈指针和复位处理程序地址
- 系统初始化：配置时钟、外设和中断系统
- 应用程序执行：跳转到main函数，执行用户代码
对于大多数STM32应用，这个启动流程是自动完成的，开发者只需要关注应用程序的编写。只有在需要特殊功能（如安全启动、固件更新）时，才需要深入了解和定制启动流程。
理解这些概念和启动流程，将有助于开发更可靠、更高效的STM32应用程序，特别是在调试启动问题或实现高级功能时。