3、硬件初始化（一）：CPU模式设置、异常向量表重定位、关闭看门狗与中断

Bootloader 启动，说白了就是给硬件“梳洗打扮”，让它准备好迎接操作系统。这第一步，就是硬件初始化。我做了这么多年底层，见过太多因为初始化没做好，后面跑飞了都不知道怎么死的案例。

这一章，咱们先啃三块硬骨头：CPU 模式设置、异常向量表重定位、关闭看门狗与中断。这三件事，是 Bootloader 的“入场券”，顺序错了或者漏了，后面全是坑。

3.1 CPU 模式设置：从“混沌”到“有序”

芯片上电那一刻，CPU 处于什么状态？嗯，通常是特权模式，但具体是哪种特权模式，不同架构不一样。ARM 一般是 SVC（超级用户）模式，RISC-V 可能是 M 模式。但不管哪种，我们都要主动设置，不能依赖默认值。

为什么？因为默认值可能不对。我记得有一次调试一块新板子，Bootloader 死活跑不起来，单步跟踪发现 CPU 竟然在未定义指令模式。查了半天，原来是复位后默认模式被板级逻辑拉偏了。从那以后，我养成了一个习惯：任何 Bootloader 的第一条有效指令，必须是设置 CPU 模式。

3.1.1 ARM 架构下的模式设置

ARM 有 7 种工作模式，Bootloader 最常用的是 SVC 模式。为什么？因为它有独立的堆栈指针（SP），而且权限高，适合做初始化。

代码很简单，但细节很要命：

@ ARM 汇编：设置 CPU 进入 SVC 模式，并关闭 IRQ/FIQ
MRS     r0, cpsr        @ 读取当前程序状态寄存器
BIC     r0, r0, #0x1F   @ 清除模式位（低5位）
ORR     r0, r0, #0xD3   @ 设置模式位：SVC(0x13) + 禁止IRQ(0x80) + 禁止FIQ(0x40)
MSR     cpsr_c, r0      @ 写回 CPSR

这里有个关键点：0xD3 这个值。它不只是设了 SVC 模式，还顺带把 IRQ 和 FIQ 都关了。我习惯在模式切换的同时就把中断关了，省得后面再单独操作。你想想看，如果模式切了一半，一个中断飞进来，CPU 跑到异常向量表，而向量表还没准备好……那画面太美我不敢看。

3.1.2 RISC-V 架构下的模式设置

RISC-V 的 Bootloader 通常在 M 模式（机器模式）下运行。设置方式是通过 mstatus 寄存器：

# RISC-V 汇编：设置 M 模式，关闭全局中断
csrr    t0, mstatus        # 读取机器状态寄存器
li      t1, ~0x8           # 清除 MIE 位（机器模式中断使能）
and     t0, t0, t1
csrw    mstatus, t0        # 写回

我个人建议，在设置 CPU 模式后，立即初始化各模式的堆栈指针。ARM 有 7 个模式，每个模式都有自己的 SP。虽然 Bootloader 只用 SVC 模式，但万一发生异常，CPU 会切换到其他模式。如果那个模式的 SP 是垃圾值，一压栈就崩了。

我的习惯： 在设置完 CPU 模式后，紧接着就给所有可能用到的模式分配栈空间。哪怕只是 64 字节，也比没有强。我曾经见过一个 Bootloader，因为 FIQ 模式的 SP 没设，一个 FIQ 进来直接写爆了内存，把关键数据给覆盖了。

3.2 异常向量表重定位：把“门牌号”挂对地方

异常向量表，就是 CPU 发生异常时的“门牌号”。CPU 根据异常类型，去固定地址找处理函数。问题是，这个固定地址在哪？

很多芯片上电后，异常向量表默认在 0x00000000（或者 ROM 里）。但我们的 Bootloader 通常跑在 RAM 里，或者需要把向量表搬到 RAM 里。为什么？因为 ROM 里的向量表是固定的，我们没法改。而 Bootloader 需要注册自己的异常处理函数，比如系统定时器中断、软件中断等。

3.2.1 重定位的两种方式

方式 原理 适用场景 注意事项
复制 + 修改基址 把 ROM 中的向量表复制到 RAM，然后修改 CPU 的向量表基址寄存器 ARM Cortex-M 系列（VTOR 寄存器） 复制后要确保 RAM 地址对齐（通常 256 字节或 512 字节）
直接映射 通过 MMU 或内存映射，把 RAM 地址映射到 0x00000000 ARM Cortex-A 系列、RISC-V 需要 MMU 初始化，Bootloader 早期可能还没开 MMU

ARM Cortex-M 系列最简单，有 VTOR（向量表偏移寄存器）：

// ARM Cortex-M：设置向量表基址为 RAM 中的地址
#define VECTOR_TABLE_RAM_BASE  0x20000000

// 复制向量表（假设 ROM 中的向量表在 0x08000000）
memcpy((void*)VECTOR_TABLE_RAM_BASE, (void*)0x08000000, 256);

// 设置 VTOR 寄存器
SCB->VTOR = VECTOR_TABLE_RAM_BASE;

这里有个坑：复制的大小。向量表的大小取决于芯片支持多少个异常。Cortex-M3/M4 通常有 16 个系统异常 + 最多 240 个外部中断，总共 256 个入口，每个入口 4 字节，一共 1024 字节。但有些芯片只实现了部分中断，复制多了浪费，复制少了漏了。我建议直接读芯片参考手册，看它实现了多少个异常，然后按那个大小复制。

我曾经踩过的坑： 有一次我复制向量表时，只复制了前 16 个系统异常，没复制外部中断。结果一开外设中断，CPU 直接跑飞。查了两天才发现，向量表里外部中断的入口还是 ROM 里的地址，而 ROM 里的处理函数根本没初始化。从那以后，我复制向量表都是按最大值来，宁可多复制，不能少复制。

3.2.2 RISC-V 的异常向量表

RISC-V 的异常向量表通过 mtvec（机器模式陷阱向量基址）寄存器设置：

# RISC-V：设置异常向量表基址
la      t0, _vector_table    # 获取向量表地址（在 RAM 中）
csrw    mtvec, t0            # 写入 mtvec 寄存器

RISC-V 的 mtvec 寄存器还有一个 MODE 字段，决定向量表是直接模式（所有异常跳到同一个入口）还是向量模式（每个异常有独立入口）。Bootloader 通常用向量模式，这样每个异常都能快速定位。

关键点： 异常向量表重定位必须在使能任何中断之前完成。如果中断使能了，但向量表还没搬好，CPU 一收到中断就不知道往哪跳。这就像你开了门，但门牌号还没挂好，快递员只能瞎转悠。

3.3 关闭看门狗与中断：先“静默”，再“干活”

看门狗和中断，是 Bootloader 初期最烦人的两个东西。看门狗会定时复位芯片，中断会打断执行流。在初始化完成之前，我们得先把它们都关了。

3.3.1 关闭看门狗

看门狗（Watchdog）的关闭方式，不同芯片差别很大。有些芯片有专门的寄存器，有些需要写“解锁序列”。我见过最奇葩的，需要连续写三个不同的值才能关掉。

常见的关闭方式：

  • 写控制寄存器： 直接写 0 到看门狗使能位。比如 STM32 的 IWDG，写 IWDG->KR = 0x0000 可以禁止。
  • 写解锁序列： 先写一个“魔法数”到解锁寄存器，再写配置。比如某些 NXP 芯片，需要先写 0x5A5A 到 WDOG_UNLOCK 寄存器。
  • 硬件拉高/拉低引脚： 有些芯片的看门狗使能由外部引脚控制，Bootloader 需要配置 GPIO 来关闭。

我个人建议，在关闭看门狗之后，再喂一次狗。为什么？因为有些看门狗在关闭过程中会触发一次复位，喂狗可以清除这个 pending 的复位请求。这听起来有点玄学，但我确实遇到过这种情况。

// 示例：关闭 STM32 的独立看门狗（IWDG）
// 注意：IWDG 一旦使能，只能通过复位来关闭。所以这里其实是“禁止使能”
// 真正的做法是在启动配置中就不使能 IWDG，或者在进入 Bootloader 前就关掉

// 对于窗口看门狗（WWDG），可以这样关：
WWDG->CR &= ~WWDG_CR_WDGA;  // 清除激活位

// 喂一次狗，清除可能的复位标志
IWDG->KR = 0xAAAA;  // 喂狗
避坑指南： 有些芯片的看门狗在复位后默认就是使能的。比如某些 TI 的 DSP，上电后看门狗自动开始跑，如果你不在前几百微秒内关掉它，芯片就会不断复位。所以，关闭看门狗的操作，要放在 Bootloader 的最前面，甚至比设置 CPU 模式还早。

3.3.2 关闭所有中断

关闭中断，不只是关 CPU 的中断总开关，还要关掉各个外设的中断使能。为什么？因为外设可能在复位后处于不确定状态，它的中断标志位可能是置位的。如果你只关了 CPU 的中断，外设的中断请求还在那挂着。等你一开中断，它立马就进来了。

关闭中断的步骤：

  1. 关 CPU 中断总开关： ARM 用 CPSID 指令，RISC-V 清 MIE 位。
  2. 关外设中断使能： 遍历所有外设，清除其中断使能寄存器。
  3. 清除 pending 的中断标志： 写 1 到中断标志位清除（通常写 1 清 0）。
// ARM：关 CPU 中断
__asm volatile("cpsid i");   // 关 IRQ
__asm volatile("cpsid f");   // 关 FIQ

// 关外设中断（以 GPIO 为例）
for (int i = 0; i < GPIO_PORT_MAX; i++) {
    GPIO->IMR[i] = 0;        // 关中断使能
    GPIO->ICR[i] = 0xFFFFFFFF; // 清所有 pending 中断
}

这里要注意，关中断的顺序。一定要先关 CPU 总开关，再关外设。如果顺序反了，你关外设的过程中，一个中断飞进来，CPU 还是会响应。虽然概率很低，但我在项目中确实遇到过——外设的中断使能寄存器是分组的，关了一组，另一组的中断进来了。

我曾经犯过的错： 有一次我关中断时，只关了 CPU 的 IRQ，没关 FIQ。结果 FIQ 对应的外设（高速定时器）在复位后自动使能了，Bootloader 跑着跑着，FIQ 进来，把关键的寄存器给改了。从那以后，我关中断都是 IRQ 和 FIQ 一起关，一个都不放过。

3.4 本章知识体系

下面这张图，把本章的三个核心步骤串起来了。你可以看到，它们之间是有依赖关系的：

硬件初始化第一阶段流程 硬件初始化第一阶段：CPU模式 → 向量表 → 看门狗/中断 CPU 模式设置 ARM: SVC 模式 / RISC-V: M 模式 异常向量表重定位 复制到 RAM + 设置基址寄存器 关闭看门狗 写解锁序列 / 清使能位 / 喂狗 关闭所有中断 CPU总开关 + 外设使能 + 清pending ⚠️ 顺序不可颠倒：必须先设 CPU 模式，再搬向量表，最后关看门狗和中断 如果先关中断再搬向量表，搬的过程中中断来了，CPU 找不到处理函数

这张图里，我特意把“关闭看门狗”放在了“关闭中断”前面。为什么？因为看门狗是硬件复位，它的优先级比中断高。如果看门狗先复位了，你关中断的动作就白做了。所以，先关狗，再关中断，这个顺序不能乱。

好了，这一章的内容就到这。CPU 模式、向量表、看门狗和中断，这三件事做完，Bootloader 的“地基”就算打好了。下一阶段，我们就要开始初始化内存和时钟了——那又是另一番天地。

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