分析ARM Cortex-M内核复位启动过程

ARM Cortex-M内核的复位启动过程也被称为复位序列(Reset sequence)，下面就来简要总结分析下这一过程。

ARM Cortex-M内核的复位启动过程与其他大部分CPU不同，也与之前的ARM架构（ARM920T、ARM7TDMI等）不相同。大部分CPU复位后都是从0x0000_0000处取得第一条指令开始运行的，然而在ARM Cortex-M内核中并不是这样的。其复位序列为：

1.从地址0x0000_0000处取出MSP的初始值；

2.从地址0x0000_0004处取出PC的初始值，然后从这个值对应的地址处取指。

即下图所示过程：

  

事实上，地址0x0000_0004开始存放的就是默认中断向量表（有些资料中将地址0x0000_0000处的MSP指针初始值也算作中断向量表的一部分，这个说法似乎不太妥当），ARM Cortex-M内核的中断向量表布局情况如下图所示：
    

注意：中断向量表的位置可以改变，此处是默认情况下的设置。

值得注意的是，在ARM Cortex-M内核中，发生异常后，并不是去执行中断向量表中对应位置处的代码，而是将对应位置处的数据存入PC中，然后去此地址处进行取指。简而言之，在ARM Cortex-M的中断向量表中不应该放置跳转指令，而是该放置ISR程序的入口地址。

有了上面的分析就很好理解复位序列了，复位其实就相当于发生了一次Reset异常，而从图中可以看到，地址0x0000_0004处存放的正是Reset异常对应的中断处理函数入口地址。

另外还有两个细节问题需要注意：

1. 0x0000_0000处存放的MSP初始值最低三位需要是0；

2.0x0000_0004处存放的地址最低位必须是1。

第一个问题是因为ARM AAPCS中对栈使用的约定是这样的：
5.2.1.1
Universal stack constraints
At all times the following basic constraints must hold:
Stack-limit < SP <= stack-base. The stack pointer must lie within the extent of the stack.
SP mod 4 = 0. The stack must at all times be aligned to a word boundary.
5.2.1.2
Stack constraints at a public interface
The stack must also conform to the following constraint at a public interface:
SP mod 8 = 0. The stack must be double-word aligned.
简而言之，规约规定，栈任何时候都必须4字节对齐，在调用入口需8字节对齐，而且SP的最低两位在硬件上就被置为0了。


第二个问题与ARM模式与Thumb模式有关。ARM中PC中的地址必须是32位对齐的，其最低两位也被硬件上置0了，故写入PC中的数据最低两位并不代表真实的取址地址。ARM中使用最低一位来判断这条指令是ARM指令还是Thumb指令，若最低位为0，代表ARM指令；若最低位为1，代表Thumb指令。在Cortex-M内核中，并不支持ARM模式，若强行切换到ARM模式会引发一个Hard Fault。


最后写一段小程序来验证下以上分析。这段程序基于STM32F4系列单片机，作用是让PA0管脚输出高电平。这应该也是实现这一目的最精简的写法了。

rAHB1ENR        EQU     0x40023830
AHB1ENRValue    EQU     0x00000001
    
rMODER          EQU     0x40020000
MODERValue      EQU     0xA8000001
    
rODR            EQU     0x40020014
ODRVaule        EQU     0x00000001


    AREA RESET, DATA, READONLY
    DCD 0x00000400
    DCD Start


    AREA |.text|, CODE, READONLY
    ENTRY


Start
    LDR R0, =rAHB1ENR
    LDR R1, =AHB1ENRValue
    STR R1, [R0]
    
    LDR R0, =rMODER
    LDR R1, =MODERValue
    STR R1, [R0]
    
    LDR R0, =rODR
    LDR R1, =ODRVaule
    STR R1, [R0]


    B .  
    END

第11行使用DCD伪指令分配了4个字节的存储空间，并将其值设置为0x0000_0400；第12行同理，将Start标号处的地址放置在偏移量为4字节的位置处；第17行Start标号之后的部分就是程序主体，依次完成了GPIOA端口RCC时钟使能、PA0设置为输出模式、PA0置高这三个步骤。


程序在链接时会将RESET段放置在目标文件开头，故相当于在地址0x0000_0000处的数据为0x0000_0400，在地址0x0000_0004处的数据为Start部分的入口地址。


不过需要指出的是，实际上在STM32F4芯片中，内部Flash的地址是从0x0800_0000处开始的，在BOOT管脚设置为Flash启动的时候，芯片内部会自动将0x0000_00000 0x000F_FFFF区域映射至0x0800_0000 0x080F_FFFF处，此时可以视为二者是等价的。
使用Debug模式进行调试，复位后CPU寄存器的值如下所示：

    

Flash中的数据如图：
  

可以看到，编译器很智能的将0x0800_0004处的数据设置为了0x0800_0009，而不是Start标号真实的地址值，这说明了这是一条Thumb-2指令。复位后PC中的值是0x0800_0008，SP中的值是0x0000_0400，与预期结果完全相同。

最后顺便提一下，上面那段简单的程序有个问题，实际上Start部分的程序是占用了中断向量表的空间，这在没有异常发生的时候是没有问题的，不过一旦有异常发生，显然程序执行是会出错的。

审核编辑：汤梓红