3. ARM Cortex-A 启动流程（上电到 Reset Vector）

本章深入分析 ARM Cortex-A 系列处理器从上电复位到执行第一条指令的完整启动流程。理解 ARMv7-A 与 ARMv8-A 架构的上电行为、异常向量表结构、Reset 处理流程以及 CPU 模式切换机制，是进行 Bootloader 开发和设备树移植的基础。

3.1 ARMv7-A/v8-A 上电行为

ARM Cortex-A 处理器在上电或复位后，硬件会自动执行一系列预定义操作，确保 CPU 进入一个已知的、可预测的状态。不同架构版本在上电行为上存在关键差异。

3.1.1 上电复位后的硬件状态

3.1.2 ARMv7-A 与 ARMv8-A 上电流程对比

3.2 异常向量表

异常向量表是处理器在发生异常时跳转的目标地址列表。ARM Cortex-A 支持两种向量表基址配置：低地址模式 (0x00000000) 和高地址模式 (0xFFFF0000)。在 ARMv8-A 中，向量表基址由 VBAR_ELx 寄存器控制。

3.2.1 ARMv7-A 异常向量表结构

3.2.2 ARMv8-A 异常向量表

ARMv8-A 的异常向量表更为复杂，每个异常等级 (EL) 拥有独立的向量表，由 VBAR_ELx 寄存器指定基址。每个向量表包含 16 个条目，每个条目占用 128 字节。

3.3 Reset 处理流程

Reset 是优先级最高的异常，也是 Bootloader 的入口点。Reset 处理流程通常包括硬件初始化、软件环境准备和跳转到主程序三个阶段。

3.3.1 Reset 处理步骤

1. 硬件自动操作： CPU 自动跳转到 Reset 向量地址，设置处理器模式为 SVC (ARMv7) 或 EL3 (ARMv8)，屏蔽所有中断。
2. 基本硬件初始化： 关闭看门狗、初始化 PLL 和时钟、配置内存控制器 (如 DDR 初始化)。
3. CPU 模式切换： 根据需要切换到其他特权模式，初始化各模式下的栈指针 (SP)。
4. 异常向量表重定位： 将异常向量表复制到 RAM 中，并设置 VBAR 寄存器指向新位置。
5. BSS 段清零： 清除未初始化全局变量的内存区域。
6. 数据段重定位： 将已初始化数据从 Flash 复制到 RAM。
7. 跳转到主程序： 调用 main() 或启动内核。

3.3.2 Reset 向量代码示例

@ ARMv7-A Reset 向量代码示例 (start.S)
.section .vectors, "ax"
.globl _start
_start:
    @ Reset 向量
    b   reset_handler
    @ Undefined Instruction 向量
    ldr pc, _undefined_instruction
    @ SVC 向量
    ldr pc, _software_interrupt
    @ Prefetch Abort 向量
    ldr pc, _prefetch_abort
    @ Data Abort 向量
    ldr pc, _data_abort
    @ Reserved
    nop
    @ IRQ 向量
    ldr pc, _irq
    @ FIQ 向量
    ldr pc, _fiq

reset_handler:
    @ 1. 切换到 SVC 模式并屏蔽中断
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1F
    orr r0, r0, #0xD3    @ SVC 模式，IRQ/FIQ 屏蔽
    msr cpsr, r0

    @ 2. 关闭 MMU 和 Cache
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
    bic r0, r0, #0x0005  @ 关闭 MMU 和 DCache
    bic r0, r0, #0x1000  @ 关闭 ICache
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

    @ 3. 初始化栈指针
    ldr sp, =_stack_top

    @ 4. 清零 BSS 段
    ldr r0, =_bss_start
    ldr r1, =_bss_end
    mov r2, #0
bss_loop:
    cmp r0, r1
    strlo r2, [r0], #4
    blo bss_loop

    @ 5. 跳转到 main
    bl main
    b .

3.4 CPU 模式切换

ARM Cortex-A 处理器支持多种特权模式，每种模式拥有独立的寄存器组和栈空间。模式切换是 Bootloader 初始化过程中的关键步骤。

3.4.1 ARMv7-A 处理器模式

3.4.2 ARMv8-A 异常等级

ARMv8-A 使用异常等级 (Exception Level, EL) 替代传统的处理器模式。EL0 最低，EL3 最高。

3.4.3 模式切换代码示例

@ ARMv7-A 模式切换示例：初始化各模式栈指针
.macro init_sp mode, stack_top
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1F
    orr r0, r0, #\mode
    msr cpsr, r0
    ldr sp, =\stack_top
.endm

@ 在 Reset 处理中调用
init_sp 0xD3, _svc_stack_top    @ SVC 模式
init_sp 0xD2, _irq_stack_top    @ IRQ 模式
init_sp 0xD1, _fiq_stack_top    @ FIQ 模式
init_sp 0xD7, _abt_stack_top    @ Abort 模式
init_sp 0xDB, _und_stack_top    @ Undefined 模式

@ 切换回 SVC 模式继续执行
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1F
orr r0, r0, #0xD3
msr cpsr, r0

3.5 本章小结

ARM Cortex-A 的上电启动流程是 Bootloader 开发的基石。理解 ARMv7-A 与 ARMv8-A 在上电行为、异常向量表结构、Reset 处理流程和 CPU 模式切换方面的差异，对于编写正确的启动代码至关重要。在实际的 Bootloader 开发中，需要根据具体的 SoC 平台和 ARM 架构版本，灵活调整初始化流程。