ARM 架构中的复位（Reset）与复位流程

文章目录

- [ARM 架构中的复位（Reset）与复位流程](#ARM 架构中的复位（Reset）与复位流程)
- - 一、复位的基本概念
  - 二、复位类型
  - - [1. 上电复位（Power-on Reset）](#1. 上电复位（Power-on Reset）)
    - [2. 系统复位（System Reset）](#2. 系统复位（System Reset）)
    - [3. 软件复位（Software Reset）](#3. 软件复位（Software Reset）)
    - [4. 调试复位（Debug Reset）](#4. 调试复位（Debug Reset）)
  - 三、ARM复位向量表
  - - 复位向量位置
  - 四、复位流程（以Cortex-M为例）
  - 五、多核处理器的复位
  - - [引导核心（Primary Core）启动流程：](#引导核心（Primary Core）启动流程：)
    - ARMv8多核启动示例：
  - 六、复位相关的关键寄存器
  - - **系统控制寄存器（Cortex-M）**：
  - 七、复位流程中的关键考虑
  - - [1. 内存初始化顺序](#1. 内存初始化顺序)
    - [2. 时钟配置时机](#2. 时钟配置时机)
    - [3. 向量表重定位](#3. 向量表重定位)
    - [4. 低功耗模式恢复](#4. 低功耗模式恢复)
  - 八、调试与故障处理
  - - **复位原因识别**：
    - **常见的复位问题**：
  - 九、安全扩展中的复位（TrustZone）
  - 十、实际应用示例（Cortex-M4启动）
  - - 示例代码：
    - 示例代码解读：
  - 总结

一、复位的基本概念

复位（Reset）是ARM处理器从初始状态开始执行的硬件机制，确保系统从一个已知的、确定的状态启动。复位会将处理器核心、外设和系统恢复到预定义的状态。

二、复位类型

1. 上电复位（Power-on Reset）

系统首次上电时触发
最彻底的复位形式
初始化所有逻辑和状态

2. 系统复位（System Reset）

通过外部复位引脚触发
复位处理器核心和部分外设
内存内容可能保留（取决于配置）

3. 软件复位（Software Reset）

通过写系统控制寄存器触发
如写AIRCR.SYSRESETREQ（Cortex-M）
或通过看门狗定时器触发

4. 调试复位（Debug Reset）

通过调试接口触发
用于调试和开发

三、ARM复位向量表

复位向量位置

Cortex-M系列：向量表起始地址（VTOR寄存器指向）
- 第一个条目：初始堆栈指针（SP）
- 第二个条目：复位向量（程序计数器初始值）
Cortex-A/R系列：
- 复位时从固定地址（如0x00000000或0xFFFF0000）获取第一条指令
- ARMv8可能从实现定义的地址启动（配置寄存器指定）

四、复位流程（以Cortex-M为例）

阶段1：硬件自动初始化

取初始SP：从向量表第一个条目加载初始栈指针
取复位向量：从向量表第二个条目加载PC值
设置寄存器 ：
- CONTROL寄存器设为0
- PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI设为0
- 处理器进入Thread模式
- 优先级设为最低

阶段2：启动代码执行

c 复制代码

/* 典型的启动序列 */
Reset_Handler:
    // 1. 初始化数据段（从Flash到RAM）
    LDR r0, =_sdata     // RAM数据段起始
    LDR r1, =_edata
    LDR r2, =_sidata    // Flash中初始值位置
    BL  memcpy
    
    // 2. 清零BSS段
    LDR r0, =_sbss
    LDR r1, =_ebss
    MOV r2, #0
    BL  memset
    
    // 3. 配置系统时钟
    BL  SystemInit
    
    // 4. 配置堆栈指针（可选）
    // 5. 跳转到main函数
    BL  main
    B   .

阶段3：时钟系统初始化

c 复制代码

void SystemInit(void) {
    // 配置时钟树
    // 1. 启用HSI/HSE振荡器
    // 2. 配置PLL
    // 3. 设置Flash等待状态
    // 4. 切换系统时钟源
    // 5. 配置AHB/APB分频器
}

五、多核处理器的复位

引导核心（Primary Core）启动流程：

所有核心同时从复位释放
仅引导核心继续执行
从核等待事件（WFE）或中断
引导核心配置从核的启动地址
通过SEV指令或中断唤醒从核

ARMv8多核启动示例：

assembly 复制代码

// 主核执行
primary_core:
    BL  system_init
    // 设置从核入口地址
    LDR x0, =secondary_entry
    MSR RVBAR_EL1, x0    // 设置从核复位向量
    SEV                   // 唤醒从核
    
// 从核入口
secondary_entry:
    WFE                  // 等待事件
    BL  secondary_init

六、复位相关的关键寄存器

系统控制寄存器（Cortex-M）：

AIRCR：应用中断和复位控制寄存器
- SYSRESETREQ位：请求系统复位
- VECTRESET位：仅复位处理器核心
- VECTCLRACTIVE位：清除活动中断
CSR：配置和控制寄存器（ARMv8）
- 控制复位行为、启动地址等

七、复位流程中的关键考虑

1. 内存初始化顺序

复制代码

Flash/ROM → 数据段复制 → BSS清零 → 堆栈初始化

2. 时钟配置时机

先使用内部低速时钟（HSI/HSI）
再配置和切换到高速时钟（PLL/HSE）
注意Flash访问时间的配置

3. 向量表重定位

可通过VTOR寄存器重定位向量表
常用于从Flash启动到RAM执行的场景

4. 低功耗模式恢复

从休眠/深度睡眠唤醒时，执行部分复位流程
保留RAM内容，重新初始化外设

八、调试与故障处理

复位原因识别：

c 复制代码

// 读取复位状态寄存器
uint32_t get_reset_reason(void) {
    return RCC->CSR;  // STM32中的复位状态寄存器
    // 包含：上电复位、软件复位、看门狗复位等标志
}

常见的复位问题：

复位循环：启动代码错误导致持续复位
时钟配置失败：系统锁死
堆栈溢出：栈指针设置错误
向量表错误：VTOR指向无效地址

九、安全扩展中的复位（TrustZone）

安全复位：仅复位安全世界
非安全复位：复位整个系统
双世界独立复位控制
安全监控调用可触发特定复位

十、实际应用示例（Cortex-M4启动）

示例代码：

c 复制代码

// 链接脚本定义
MEMORY {
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
    RAM (rwx)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

SECTIONS {
    .isr_vector : { *(.isr_vector) } > FLASH
    .text       : { *(.text*) }       > FLASH
    .data       : AT(ADDR(.text) + SIZEOF(.text)) {
        _sdata = .;
        *(.data*)
        _edata = .;
    } > RAM
    .bss : {
        _sbss = .;
        *(.bss*)
        _ebss = .;
    } > RAM
}

示例代码解读：

上面一个嵌入式系统的链接器脚本（Linker Script） ，用于定义内存布局和程序段的分配。

1、首先看MEMORY部分，它定义了两个物理内存区域：

第一个是FLASH区域，属性为rx即可读可执行，起始地址是0x08000000，长度512K。这是ARM Cortex-M处理器的典型Flash起始地址。

第二个是RAM区域，属性为rwx即可读可写可执行，起始地址是0x20000000，长度128K。这是Cortex-M处理器的SRAM典型起始地址。

2、接下来是SECTIONS部分，它定义了各个程序段的布局：

第一个是.isr_vector段，包含中断向量表，放在FLASH内存区域的开头位置。

第二个是.text段，包含程序代码，也放在FLASH中。

第三个是.data段，这个比较复杂。它定义在RAM中，但使用AT关键字指定了加载地址在Flash中，具体位置是跟在.text段之后。这里还定义了两个符号：_sdata标记RAM中.data段的起始地址，_edata标记结束地址。这种设计意味着.data段的初始值在编译时存储在Flash中，系统启动时需要将其复制到RAM。

第四个是.bss段，也放在RAM中，定义了两个符号：_sbss标记BSS段起始地址，_ebss标记结束地址。BSS段存储未初始化的全局变量和静态变量，启动时需要清零，不占用Flash空间。

3、这个链接器脚本适用于ARM Cortex-M系列微控制器，如STM32F1/F4系列等，通常配合GCC ARM工具链使用。在实际使用中，启动代码会利用这里定义的符号来初始化内存：将.data段从Flash复制到RAM，将.bss段清零。这是嵌入式系统开发中管理有限内存资源的重要机制。

内存映射示意图：

Text 复制代码

FLASH (0x08000000)        RAM (0x20000000)
+----------------+        +----------------+
| .isr_vector    |        |                |
| .text          |        |                |
| .data (初始值)  | -----> | .data (运行时)  |
|                |  复制   | .bss          |
+----------------+        +----------------+

总结

ARM架构的复位流程是一个精心设计的层次化过程：

硬件自动初始化核心状态
启动代码初始化运行环境
系统配置时钟、内存等关键资源
应用代码开始执行

理解复位流程对于嵌入式系统开发至关重要，特别是在处理启动时序、低功耗管理和故障恢复等场景时。不同的ARM处理器家族（Cortex-M/A/R）在复位细节上有所不同，但基本遵循相似的原理和模式。