4. ARM Cortex-M 启动流程（上电到 Main）

ARM Cortex-M 系列处理器（M0/M3/M4/M7/M33）采用专为微控制器设计的 M-profile 架构。其启动流程与 Cortex-A 系列有本质区别：无需 MMU 初始化、无复杂异常等级切换，而是依赖硬件固化的向量表与堆栈指针自动完成上电序列。本章深入剖析从复位到 main() 的完整路径，涵盖向量表偏移、堆栈初始化以及 __main 构建 C 运行时环境的关键步骤。

4.1 M-profile 启动序列

Cortex-M 处理器复位后，硬件自动执行以下固定序列，无需任何软件指令：

1. 读取初始堆栈指针（MSP）：从地址 0x00000000 加载 4 字节作为主堆栈指针（MSP）初始值。
2. 读取复位向量：从地址 0x00000004 加载 4 字节作为复位异常入口地址。
3. 设置 PC 与 MSP：将 PC 指向复位向量地址，MSP 设为第一步读取的值。
4. 开始执行复位处理程序：CPU 从复位向量地址取指执行，通常跳转到启动代码（Reset_Handler）。

4.2 向量表与向量表偏移

向量表是 Cortex-M 启动的核心数据结构，存放所有异常和中断的服务函数入口地址。默认向量表基址为 0x00000000，但可通过 VTOR（Vector Table Offset Register） 重定位。

4.3 堆栈初始化

Cortex-M 支持两种堆栈模式：主堆栈（MSP） 和 进程堆栈（PSP）。复位后默认使用 MSP。堆栈初始化在启动代码中完成，包括：

• 设置堆栈边界：定义 __stack_top 和 __stack_bottom 符号。
• 填充堆栈哨兵：可选，在堆栈区域写入固定模式（如 0xDEADBEEF）用于溢出检测。
• 切换堆栈指针：如果使用 PSP（如运行 RTOS 任务），在 __main 之前或之后切换。

; 典型 Cortex-M 启动代码堆栈初始化片段
; 文件: startup_stm32f407xx.s

.section .isr_vector, "a", %progbits
  .word __stack_top          ; 0x00000000: MSP 初始值
  .word Reset_Handler        ; 0x00000004: 复位向量

.section .text.Reset_Handler
Reset_Handler:
  ; 设置 MSP（硬件已加载，此处可选重新设置）
  ldr   r0, =__stack_top
  msr   msp, r0

  ; 可选：填充堆栈区域用于溢出检测
  ldr   r0, =__stack_bottom
  ldr   r1, =__stack_top
  ldr   r2, =0xDEADBEEF
fill_stack:
  cmp   r0, r1
  itt   lo
  strlo r2, [r0], #4
  blo   fill_stack

  ; 跳转到 __main
  bl    __main

4.4 __main 与 C 运行时环境

__main 是 ARM 编译器提供的 C 运行时初始化入口，位于 libc 库中。它负责在调用用户 main() 之前完成以下关键任务：

4.5 完整启动流程总结

从复位到 main() 的完整路径可归纳为以下步骤：

1. 硬件阶段：CPU 从 0x00000000 加载 MSP，从 0x00000004 加载 PC，跳转到 Reset_Handler。
2. 汇编阶段：Reset_Handler 中设置堆栈、初始化异常处理、配置 VTOR（如需要）、调用 __main。
3. C 运行时阶段：__main 完成 .data 复制、.bss 清零、堆初始化、库初始化。
4. 用户阶段：调用 main()，应用程序开始执行。