Cortex-M3重启流程——笔记

个人学习的笔记，希望帮助的和我一样阅读Cortex-M3权威指南Cn遇到困难的人。 Cortex-M3重启流程——笔记

在cortex m3 中，启动与重映

在Cortex-M3中，启动与重映射是一套紧密配合的机制，它决定了处理器上电复位后第一条指令从哪里获取，以及系统如何看待内存的布局。

第一部分：启动 首先Cortex-M3内核定义了一个固定的硬件启动流程，所有基于该内核的芯片都必须遵守。 核心启动流程处理器释放复位后，硬件自动执行以下操作，无需任何软件指令：

第二部分：重映射 重映射是指在不改变CPU指令的情况下，通过硬件配置，将CPU对某段逻辑地址的访问，定向到不同的物理存储器上。对于启动来说，最关键的就是重映射 0x00000000 开始的这块地址。 在Cortex-M3中，重映射主要通过两种方式实现，它们作用在不同的层级。 一：芯片级静态重映射（通过BOOT引脚） 这是由芯片制造商（如ST、NXP）实现的硬件特性。以STM32F1系列为例，它通过BOOT0和BOOT1引脚的电平，在复位时选择将哪一块物理存储器映射到0x00000000这个逻辑起始地址。

// 示例：STM32F103的启动模式选择
// BOOT1=0, BOOT0=0: 从主Flash启动 (用户程序)
// -> 物理Flash (0x08000000) 被映射到 0x00000000
// 硬件访问0x00000000，实际读取的是0x08000000的内容。

// BOOT1=0, BOOT0=1: 从系统存储器启动 (内置Bootloader)
// -> 系统Bootloader ROM (0x1FFF0000) 被映射到 0x00000000
// 用于通过串口/USB下载程序。

// BOOT1=1, BOOT0=1: 从内置SRAM启动
// -> SRAM (0x20000000) 被映射到 0x00000000
// 用于调试或运行临时性代码。

这个过程发生在CPU执行第一条指令之前，由芯片内部的硬件总线矩阵完成。它是一种静态的、由硬件引脚决定的“一次性”映射。

二：内核级动态重映射（通过VTOR寄存器） 这是Cortex-M3内核提供的软件可配置的重映射功能，更加灵活。它通过一个名为 VTOR（向量表偏移寄存器） 的系统控制寄存器来实现。

• VTOR地址： 0xE000ED08 （属于内核的SCB区域）
• 功能： VTOR的值定义了向量表的新基地址。重置后，它的值通常是0x00000000。 工作原理： 当VTOR被设置为一个新地址（如 0x08010000）后，内核硬件会自动进行以下计算： 异常向量地址 = VTOR + 异常编号 × 4 例如，当发生中断10时：
• 旧方式（VTOR=0）：硬件去 0x00000028 (0 + 40) 取向量。
• 新方式（VTOR=0x08010000）：硬件去 0x08010028 (0x08010000 + 40) 取向量。 这是真正的“重映射”：你通过修改VTOR，告诉CPU：“请到新的地址去寻找向量表”。CPU之后所有对异常向量的查找，都会基于这个新基址。

第三部分：启动与重映射的配合流程 一个典型系统的完整启动旅程是这样的，我们以从主Flash启动并运行一个包含Bootloader和应用程序的系统为例：

注意：

• 芯片级静态重映射（BOOT引脚）解决了“从哪里开始”的问题，提供了固件恢复和下载的物理手段。
• 内核级动态重映射（VTOR寄存器）解决了“如何灵活切换”的问题，为现代嵌入式软件（尤其是Bootloader和RTOS）提供了至关重要的灵活性。

在芯片级静态重映射时可以通过BOOT0和BOOT1引脚配置三种不同的启动方式，接下来我们将逐一讲解他们的在cortex m3中的流程 在讲解流程前，先明确三位“主角”：

主Flash启动（应用程序标准模式） 这是芯片出厂后运行用户程序的正常模式。

补充：

系统存储器启动（内置Bootloader模式） 此模式用于通过串口等接口烧录用户程序。

嵌入式SRAM启动（调试模式） 此模式用于在RAM中快速调试代码，无需编程Flash。

从这些方法我们可以看出Cortex-M3所有启动方法，本质上是硬件为软件搭建舞台并强行移交控制权的一个确定、不可更改的三层递进过程。无论从哪种存储器启动，其核心都遵循以下通用逻辑：

第一阶段：物理映射层 —— 决定“数据之源” 在CPU内核行动之前，由芯片厂商的硬件（通过BOOT引脚配置）完成。此阶段的核心操作是地址重定向：芯片内部的存储器控制器将CPU内核要访问的逻辑起始地址 0x00000000，静态地关联到某一块物理存储器的基地址（如主Flash的0x08000000、系统ROM的0x1FFF0000或SRAM的0x20000000）。 作用：此操作在物理层面决定了CPU“第一眼”看到的数据来自何处，但它不改变CPU内部的任何寄存器，只是为后续的读取铺设了一条固定的数据通路。这是启动模式差异性的唯一来源。

第二阶段：内核强制加载层 —— 建立“运行基石” CPU释放复位后，Cortex-M3内核硬件严格按照架构定义，自动执行以下不可打断的序列：

第三阶段：软件初始化与重定向层 —— 实现“动态扩展” 控制权移交至 Reset_Handler 后，开发者软件开始主导。此阶段的首要操作通常是初始化系统时钟、内存等。而其最核心的灵活性体现在：

• 重定向向量表：通过向VTOR寄存器写入一个新的基地址，软件可以动态地将整个异常向量表重定位到内存中的任何位置。 作用：VTOR操作改变了CPU内核内部用于查找异常处理程序的基准指针。这实现了运行时层面上的“重映射”，使得Bootloader与应用程序、不同任务或固件版本可以拥有各自独立的异常管理系统。这是构建复杂、可升级嵌入式系统的关键，它赋予了软件在硬件设定的固定起点之上，定义未来运行时规则的强大能力。

总结： Cortex-M3的共同启动流程可精炼为：“硬件固定映射源头 → 内核强制加载栈与入口 → 软件自由重定规则”。

在cortex m3中，复位信号

在Cortex-M3系统中，复位是让整个芯片从确定状态重新开始的根本机制。主要分为由芯片厂商实现的物理复位源和由ARM内核定义与响应的复位类型。

主要的复位信号及其作用 根据Cortex-M3技术参考手册，从内核视角看，复位主要分为三类，它们的作用域和严格程度不同。 上电复位

• 信号/源头：通常由芯片的电源管理电路或外部复位引脚（如nRST）产生。这是最彻底、最根本的复位。
• 作用：将芯片所有数字逻辑和模拟电路（如PLL、稳压器）恢复到确定的初始状态。它发生在芯片刚通电或电源电压跌落到安全阈值以下时。
• 硬件影响：所有寄存器、存储单元、状态机都被清零或置为初始值。 系统复位
• 信号/源头：
  • 外部复位引脚（nRST）。
  • 看门狗定时器超时（独立看门狗或窗口看门狗）。
  • 电源检测（如欠压复位BOR）。
  • 软件请求（通过置位 AIRCR.SYSRESETREQ 寄存器位）。
• 作用：复位处理器内核和几乎所有的片上外设（除了一些特定的“备份域”外设，如RTC、备份寄存器）。它不影响处理器的调试逻辑，使得调试器在系统复位后仍能保持连接和控制。
• 硬件影响：MSP、PC、通用寄存器、系统控制寄存器（SCB）以及所有外设寄存器（除备份域）被重置。 处理器内核复位
• 信号/源头：通常由调试系统（通过JTAG/SWD接口）发起，例如在调试器中点击“CPU Reset”。
• 作用：仅复位Cortex-M3处理器内核（包括寄存器、流水线、内部状态机），而完全不触动芯片上的存储器系统和外设。
• 硬件影响：PC、MSP、通用寄存器、内核状态寄存器（如CONTROL, PRIMASK）被重置，但SRAM中的数据、Flash内容、外设的配置和状态全部保持原样。这是调试时非常有用的功能，可以只让CPU重新开始执行，而不破坏当前的程序运行环境。 三者关系总结：上电复位 ⊃ 系统复位 ⊃ 处理器内核复位。上电复位范围最广，处理器内核复位范围最窄、最精确。

硬件上的详细操作流程（以系统复位为例） 下面描述一次典型的系统复位（如按下外部复位按钮）在硬件层面引发的连锁反应。 阶段一：复位信号的产生与传播（由芯片物理逻辑完成）

以下是Cortex-M3权威指南Cn原文： 基于CM3的单片机对复位电路有特定的要求，具体内容在《Cortex‐M3 Technical Reference Manual(Ref1)》中给出，它列出了若干个可以使用的复位信号。不过，实现成单片机后，往往只用到了1至2个。至余其它的，芯片厂商会在芯片中布设复位信号发生器，由它在内部产生剩余的复位信号。细节需要参考制造商提供的数据手册，以获取如何正确复位其芯片的信息。

在cortex m3 中，VTOR的重映射与BOOT引脚的重映射

可以用一个精准的比喻来定位：

• BOOT引脚重映射，解决的是 “物理位置” 问题。即：CPU的引脚发出的电信号，最终到达哪一块物理芯片的引脚。
• VTOR重映射，解决的是 “逻辑寻址” 问题。即：CPU内部执行指令时，用于计算地址的那个基准数值是什么。

下面从四个核心维度进行剖析： 1. 操作主体与控制层级

• BOOT引脚重映射：这是芯片制造商（如ST、NXP）在其硅片设计中实现的物理电路功能。它位于处理器内核之外，属于“芯片级”或“板级”硬件。用户通过设置引脚电平来“触发”这个预设功能，但无法改变其电路逻辑。
• VTOR重映射：这是处理器架构（ARM Cortex-M3）定义并提供的一个软件可编程寄存器。它位于处理器内核之内，属于“内核架构级”特性。开发者通过编写SCB->VTOR = xxxx这样的指令来“命令”内核改变其内部行为。 2. 作用时机与可变性
• BOOT引脚重映射：其作用发生在芯片上电或硬复位过程中，在CPU内核开始取指之前就已经完成。一旦复位结束，在整个芯片运行周期内，这个映射关系固定不变，除非再次发生硬件复位并改变引脚电平。
• VTOR重映射：其作用发生在CPU已经开始执行软件指令之后。你可以在系统启动时、运行中、甚至中断服务程序里随时修改它。修改后，其效果立即生效，且可以被再次修改。 3. 作用范围与影响对象
• BOOT引脚重映射：它影响CPU对整个逻辑地址空间最开头一段区域（通常是整个代码区或SRAM区）的所有访问请求，无论这个请求是取指令、读数据还是写数据。它像一个透明的地址过滤器，全局生效。
• VTOR重映射：它只且仅影响CPU内核中异常处理单元在进行“查找异常处理函数地址”这一特定操作时所使用的基地址。它对普通的LDR、STR等数据访问指令毫无影响。 4. 根本目的与设计哲学
• BOOT引脚重映射：其根本目的是提供硬件级的启动容错和模式选择。它让一块物理芯片能灵活应对不同场景：正常模式（从用户Flash启动）、救援模式（从内置Bootloader启动）、调试模式（从SRAM启动）。这是芯片厂商提供给用户的硬件工具箱。
• VTOR重映射：其根本目的是实现软件层的模块化解耦与动态调度。它让不同的软件模块（如Bootloader和App）能拥有各自完全独立、互不干扰的中断管理系统，并能实现运行时的无缝切换。这是处理器架构赋予软件的系统控制权。

核心关联：它们如何协同工作 理解它们并非竞争关系，而是接力关系，至关重要。以最常见的“从Flash启动并运行Bootloader+App”为例：

在cortex m3 中，复位与启动与重映

在cortex m3 中复位也算是一种特殊的中断(异常)(复位的异常编号 1)。内核启动的硬件行为，本质上就是对第一个、也是最高优先级异常的响应流程。

Cortex-M3的异常处理模型是统一的：发生异常 -> 硬件自动根据异常编号查找向量表 -> 跳转到处理函数。复位完全遵循此模型，但其特殊性在于：

在启动与重映射流程中的具体体现 整个启动与重映射过程，就是这套异常处理机制从“固定”到“可配置”的展现。 第一阶段：硬件强制执行的“初始异常响应” 这是复位异常最“特殊”的地方，因为它发生时，系统没有任何配置。

所以复位与重映射的整个过程，就是 “复位异常”的响应，从一个由硬件引脚决定的、固定的物理路径开始，逐步将控制权移交到可由软件动态配置和重定位的、统一的内存地址空间的过程。

总结

注意：复位异常 不等于 Reset_Handler，而是： 复位异常 → （硬件自动）→ 查向量表 → （获取地址）→ 跳转执行 Reset_Handler

以下是Cortex-M3从上电复位到开始执行Reset_Handler函数的完整、详细的硬件与软件流程：

第一阶段：复位触发与硬件初始化

第二阶段：内核固定启动序列与物理地址映射

第三阶段：加载上下文与跳转（作为复位异常的响应）

第四阶段：软件接管与系统重映射（Reset_Handler内） 10. Reset_Handler开始执行：CPU现在运行的是软件代码。该函数通常由芯片厂商提供的启动文件定义，用汇编或C语言编写。 11. 初始化关键系统：函数首先初始化系统时钟、配置Flash访问延迟，可能还会初始化少量必要的外设。 12. 关键操作——重配置向量表偏移寄存器（VTOR）： – Reset_Handler通过一条存储指令（例如 SCB->VTOR = 0x08000000），向地址0xE000ED08（VTOR寄存器）写入一个新的基地址。 – 此操作具有全局和即时效应：写入完成后，Cortex-M3内核用于计算所有异常（包括复位、NMI、中断等）入口地址的基准点，从固定的0x00000000永久地更改为新的地址（例如0x08000000）。 – 意义：这实现了软件层面的逻辑重映射。系统从此完全脱离对“逻辑0地址”硬件映射的依赖，异常处理完全在统一的4GB地址空间中，由VTOR寄存器指向的向量表管理。这也是Bootloader能跳转到应用程序的核心机制：Bootloader在跳转前，将VTOR改为应用程序向量表的地址，从而将异常处理权移交给应用程序。 13. 初始化运行环境：Reset_Handler继续执行，将已初始化的全局变量（.data段）从Flash复制到SRAM，将未初始化的全局变量（.bss段）在SRAM中清零。 14. 跳转到主程序：最后，Reset_Handler调用标准的C入口函数 main() 或直接跳转到调度器，将控制权移交给用户应用程序。

流程总结 此流程是一个从绝对硬件确定性过渡到完全软件可编程性的经典范例：

在cortex m3中，当复位后VTOR寄存器的动作

第一步：硬件强制初始化（复位释放瞬间） 当复位信号释放，处理器内核脱离复位状态时，其硬件逻辑会执行一个不可更改的初始化操作：将VTOR寄存器的值强制设置为 0x00000000。这是一个由Cortex-M3架构定义的、所有芯片都必须遵守的固定动作。此时，处理器异常处理单元的“基准点”被锚定在逻辑地址零。然而，对于STM32F103这类芯片，一个并行的硬件事件正在发生：芯片内部的总线矩阵根据BOOT引脚的电平，已将物理Flash的起始地址（0x08000000）静态地映射到了逻辑地址0x00000000的区域。因此，VTOR=0x00000000 这个状态在物理上等价于向量表位于 0x08000000，但处理器内核在逻辑上对此映射关系一无所知，它仅仅遵从“从VTOR（当前为0）加偏移量取地址”的规则。

第二步：内核执行首次异常响应（启动序列） 紧接着，处理器内核开始执行其固定的启动序列，这本质上是对**复位异常（编号1）**的响应：

第三步：软件首次显式配置（建立确定基准） Reset_Handler 开始执行，系统控制权从硬件转移到软件。此时，运行中的代码（例如Bootloader）必须立刻消除对硬件映射的隐含依赖，建立明确、可预测的运行时环境。因此，在 Reset_Handler 调用的早期初始化函数（如 SystemInit()）中，软件会执行一条至关重要的指令：向VTOR寄存器写入一个明确的基地址，例如 0x08000000。这一动作的深层含义是：软件正式宣告，“从现在起，向量表的基准点是物理地址 0x08000000，请忘记之前 0x00000000 的逻辑映射”。完成此操作后，处理器对所有异常的寻址计算将基于这个新的、清晰的基准点。这是软件获得对异常系统控制权的标志。

第四步详解：运行时动态重配置（如果是Bootloader+App模式） 当系统超越简单的单应用程序模式，进入需要多个独立软件模块（如Bootloader和应用程序）协作运行时，VTOR的角色就从一次性初始化寄存器，变成了一个可以在软件运行中动态改写的系统开关。其动作遵循一个严格的“指挥权移交”协议。 阶段一：Bootloader固守其位

• 动作：Bootloader的Reset_Handler将VTOR设置为自身的向量表基地址（0x08000000）。
• 作用与状态：此动作宣告了Bootloader在运行期间对中断响应拥有绝对主权。任何在此期间发生的中断，CPU都会严格按照 0x08000000 + 中断号×4 的公式，跳转到Bootloader代码段内对应的中断服务程序。此时，VTOR是Bootloader私有资源的管理锚点。 阶段二：跳转前夕的“政权交接” 这是整个流程中最精妙且不容出错的一步。
• 动作：在Bootloader执行跳转到应用程序的最后一条指令之前，它必须执行一条指令：SCB->VTOR = 0x08002000。
• 微观作用：这条存储指令的完成，在硬件上产生了一个瞬时、全局且不可逆的效果——处理器内部异常寻址电路的“基址指针”被原子性地从0x08000000拨到了0x08002000。这不是准备，而是立刻生效。
• 为何必须此时进行（关键原因）：设想如果先跳转，再修改VTOR。在跳转完成到VTOR修改成功的这几条指令执行期间，若恰好有一个中断发生，CPU会去哪里找中断向量？答案依然是旧的VTOR（0x08000000），即Bootloader的向量表。但此时CPU已在执行应用程序的代码，上下文完全错乱，极大概率导致硬件错误或系统死锁。因此，必须在离开当前上下文（Bootloader）之前，就为下一个上下文（应用程序）铺好所有基础设施，其中中断响应路径是最关键的一项。 阶段三：应用程序的“主权宣告”
• 动作：应用程序的Reset_Handler同样会执行 SCB->VTOR = 0x08002000。
• 深层意义：这并非冗余操作，而是软件工程确定性与鲁棒性原则的体现。应用程序不应假设自己是由一个“正确且完好”的Bootloader启动的。它必须进行“初始化自检和确认”，明确建立自己所有核心资源的掌控权。这保证了：
• 状态确定性：无论之前VTOR被设为何值（即使是调试器乱写的），应用程序都强制将其纠正到正确值。
• 代码自包含与可移植性：这段初始化代码不依赖任何外部前提，使得该应用程序可以被任何兼容的引导程序启动，甚至由调试器直接加载到RAM中运行。
• 逻辑清晰：在应用程序的源码中，可以清晰地看到其向量表基地址的配置，使得维护和调试变得直观。 补充：Bootloader跳转到应用程序的本质：Bootloader在跳转前所做的设置VTOR和加载MSP/PC这一系列操作，就是一次对CPU硬件复位启动序列的精确软件模拟： 在执行完 SCB->VTOR = 0x08002000 之后，Bootloader的代码立即执行以下关键操作来更新PC：

总结：VTOR的动作逻辑 VTOR在复位后的动作，遵循一条清晰的逻辑主线：从硬件强制的、隐含物理映射的默认值（0x00000000），被软件显式地重定义为明确、线性的物理基地址（如 0x08000000），并可在系统运行生命周期中，根据软件逻辑的需要进行动态重定位，以支持模块化、可升级的复杂系统设计。 整个过程体现了嵌入式系统从“硬件确定的起点”平稳过渡到“软件完全掌控的灵活运行”的核心设计哲学。

补充：从复位到执行 Reset_Handler 当复位信号生效再释放，两个并行的硬件动作瞬间完成：

• 第一步取栈：它“想要”从VTOR + 0（即0x00000000）读取数据作为初始主栈指针（MSP）。由于上述硬件连线，这个读请求被导向了物理地址0x08000000。于是，存储在Flash最开头的那个4字节数字（由链接脚本和编译器放置）被加载到MSP寄存器。这是软件世界对硬件栈的第一次定义。
• 第二步取指令：它“想要”从VTOR + 4（即0x00000004）读取数据作为复位异常向量。同样，这个请求被导向0x08000004。存储在此的另一个4字节数字（即Reset_Handler函数的入口地址）被加载到程序计数器（PC）。
• 第一次跳转：CPU将PC所指的地址（即Reset_Handler）作为下一条指令的地址。于是，处理器从物理Flash中Reset_Handler所在的准确位置，取回了第一条机器指令并开始执行。 至此，硬件的强制引导使命完成，控制权通过一条由物理电路决定的路径，被移交给了软件的第一行代码。