4. 启动流程分析：ARM上电复位向量、异常向量表、SVC模式切换、MMU与Cache初始化

ARM芯片上电后，到底先执行哪条指令？

这个问题，我当年刚入行时也困惑了很久。看着几百页的ARM手册，感觉每个字都认识，但串起来就是不知道CPU在干嘛。后来亲手调了几块板子，踩了几个坑，才算真正搞明白。

今天咱们就把这启动流程掰开揉碎，从复位向量一路走到MMU初始化。

4.1 上电复位向量：CPU的第一口饭

ARM上电后，CPU会去一个固定地址取第一条指令。这个地址就是复位向量。

; 典型的复位向量写法
    b   reset_handler      ; 跳转到复位处理函数
    b   undef_handler      ; 未定义指令异常
    b   svc_handler        ; SVC异常
    b   pabt_handler       ; 预取中止
    b   dabt_handler       ; 数据中止
    b   .                  ; 保留
    b   irq_handler        ; IRQ中断
    b   fiq_handler        ; FIQ中断

为什么不用直接执行？因为向量表每个入口只有4字节（一条指令的空间），放不下完整的处理逻辑。所以放一条跳转指令，跳到别处去执行。

4.2 异常向量表：CPU的紧急呼叫系统

异常向量表，说白了就是一张“紧急情况处理电话本”。CPU遇到各种异常时，会自动跳到这里查表。

ARM的异常向量表长这样：

ARMv7-A架构引入了VBAR（Vector Base Address Register），可以动态设置向量表基址。这意味着你可以把向量表放在任意地址，不用死磕0x00000000了。

; 设置VBAR的例子
ldr r0, =_vector_start    ; 向量表起始地址
mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0  ; 写入VBAR

4.3 SVC模式切换：从特权到更特权

ARM有7种处理器模式，其中SVC模式（Supervisor模式）是操作系统内核运行的模式。Bootloader启动时，需要从复位后的SVC模式切换到其他模式，或者确保自己始终在SVC模式下工作。

为什么非要SVC模式？因为只有SVC模式才能访问所有系统资源，才能配置MMU和Cache。其他模式都有权限限制。

模式切换的核心操作：

1. 读取当前CPSR：获取当前处理器状态
2. 修改模式位：CPSR的低5位控制模式
3. 写回CPSR：完成切换

; 切换到SVC模式的典型代码
mrs r0, cpsr          ; 读取当前状态
bic r0, r0, #0x1F     ; 清除模式位
orr r0, r0, #0x13     ; 设置为SVC模式（0b10011）
msr cpsr, r0          ; 写回生效

各模式对应的SP设置：

; 为各模式设置栈指针
ldr sp, =svc_stack_top    ; SVC模式栈
cps #0x12                 ; 切换到IRQ模式
ldr sp, =irq_stack_top    ; IRQ模式栈
cps #0x13                 ; 切回SVC模式

4.4 MMU与Cache初始化：让CPU跑得更快更稳

MMU（内存管理单元）和Cache是Bootloader启动中后期的重要工作。没有MMU，CPU只能直接访问物理地址；没有Cache，CPU每次读写内存都要等慢速的DRAM。

但初始化顺序有讲究——搞反了就会死机。

4.4.1 初始化流程

1. 关闭MMU和Cache：复位后默认是关闭的，但保险起见先关一次
2. 初始化页表：在内存中建立页表结构
3. 设置TTB（Translation Table Base）：告诉MMU页表在哪
4. 使能MMU：开启地址转换
5. 使能Cache：开启数据/指令缓存

4.4.2 页表配置示例

ARMv7-A使用两级页表。一级页表每个条目对应1MB空间，二级页表每个条目对应4KB空间。Bootloader通常只用一级页表做简单映射。

; 一级页表初始化（简化版）
; 假设物理地址0x00000000映射到虚拟地址0x00000000
; 属性：可读可写、Cache使能、Buffer使能

ldr r0, =page_table_base    ; 页表基址
mov r1, #0x0000             ; 虚拟地址起始
mov r2, #0x1000             ; 映射大小（4GB）

loop:
    ; 计算页表条目
    ; 每个条目对应1MB空间
    ; 条目格式：物理地址[31:20] | 属性位
    mov r3, r1, lsr #20     ; 取虚拟地址高12位
    orr r3, r3, #0xC0E      ; 设置属性：可读可写、Cache、Buffer
    str r3, [r0, r1, lsr #18] ; 写入页表
    add r1, r1, #0x100000   ; 下一个1MB
    cmp r1, r2
    bne loop

4.4.3 使能MMU的关键步骤

; 使能MMU
; 1. 设置TTB（Translation Table Base）
ldr r0, =page_table_base
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0   ; 写入TTBR0

; 2. 设置域访问控制（Domain Access Control）
mov r0, #0xFFFFFFFF
mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0   ; 所有域设为Manager模式

; 3. 使能MMU和Cache
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0   ; 读取SCTLR
orr r0, r0, #0x1             ; 使能MMU（bit0）
orr r0, r0, #0x1000          ; 使能ICache（bit12）
orr r0, r0, #0x4             ; 使能DCache（bit2）
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0   ; 写回SCTLR

; 4. 同步屏障（确保MMU生效）
dsb
isb

; 使能MMU后立即跳转
ldr r0, =mmu_enabled
bx r0

mmu_enabled:
    ; 现在可以放心使用虚拟地址了

4.5 整体启动流程图

下面这张图把整个启动流程串起来，方便你对照理解：

4.6 常见问题与调试技巧