Zephyr OS 内核篇：系统启动

不同架构的 CPU 在启动时会略有差别，我们统一以 cortex-m3 为例。

茫茫数万行代码，从哪儿入手？通常，CPU 在上电后会发生一个复位异常，此时硬件内部会自动查找异常向量表，然后在该表中查找到复位向量，然后跳转到对应的函数中开始执行。

如果时间充裕，建议阅读阅读《Cortex-M3 权威指南》一书，它里面对这一块讲解得比较清楚。

向量表

cortex-m3 的异常/中断向量表如下图所示：

它包括两部分，1-15 为异常向量表，16-255 为中断向量表。

异常向量表

cortex-m3 的异常向量表所在的源文件是 arch/arm/core/cortex-m/vector_table.s，整个文件的源码如下(忽略部分不相关的东西)：

1. <pre>GDATA(_main_stack)
   
2. 
   
3. SECTION_SUBSEC_FUNC(exc_vector_table,_vector_table_section,_vector_table)
   
4. 
   
5.     .word _main_stack + CONFIG_MAIN_STACK_SIZE
   
6. 
   
7.     .word __reset
   
8.     .word __nmi
   
9. 
   
10.     .word __hard_fault
    
11. #if defined(CONFIG_CPU_CORTEX_M0_M0PLUS)
    
12.     ...
    
13. #else /* CONFIG_CPU_CORTEX_M3_M4 */
    
14.     .word __mpu_fault
    
15.     .word __bus_fault
    
16.     .word __usage_fault
    
17.     .word __reserved
    
18.     .word __reserved
    
19.     .word __reserved
    
20.     .word __reserved
    
21.     .word __svc
    
22.     .word __debug_monitor
    
23. #endif
    
24.     .word __reserved
    
25.     .word __pendsv
    
26. #if defined(CONFIG_CORTEX_M_SYSTICK)
    
27.     .word _timer_int_handler
    
28. #else
    
29.     ...
    
30. #endif</pre>

复制代码

GDATA(_main_stack) 的作用是做一个申明，类似于 C 语句中的 extern 关键字，我们不必深究，只需要知道它表示 _main_stack 是一个全局的符号，且存放于数据段。

SECTION_SUBSEC_FUNC(exc_vector_table,_vector_table_section,_vector_table) 表示 _vector_table 是一个符号，且该符号属于 exc_vector_table 这个段中的 _vector_table_section 子段。我们可以简单地将 SECTION_SUBSEC_FUNC() 理解为实现了一个函数。

符号是什么？它表示一个地址。比如我们写了一个 C 函数 test()，则编译器在汇编阶段会根据这个函数名生成一个符号 test(假设叫做 test，实际的符号名可能是xxx_xxx_test)，而这个符号的后面会紧跟着该函数的代码，当其它代码需要调用该函数时，会使用跳转指令 bx test，然后就会执行该函数的代码了。所以，符号的本质是一个地址，而该地址处存放着可以执行的代码(指令)。

后面的形式都是固定，都是 .word xxxx。其中，.word 是一个汇编伪指令，表示后面的符号的类型是 word；xxxx 表示一个符号(第一个 _main_stack + CONFIG_MAIN_STACK_SIZE 除外)，当发生对应的异常时，都会跳转到该符号(即地址)对应的代码处执行。

当 CPU 上电后会发生复位异常，即会跳转到 __reset 符号处继续执行，所以我们会继续分析 __reset 处的代码。

中断向量表

cortex-m3 的中断向量表所在的源文件是 arch/arm/core/cortex-m/irq_vector_table.s。系统启动时不会涉及到这一块，略。


__reset

__reset 这“函数”的实现在 arch/arm/core/cortex-m/reset.S 中：

1. GTEXT(__reset)
   
2. <pre>GTEXT(memset)
   
3. GDATA(_interrupt_stack)
   
4. 
   
5. SECTION_SUBSEC_FUNC(TEXT,_reset_section,__reset)
   
6. 
   
7.     /* 锁定中断 */
   
8. #if defined(CONFIG_CPU_CORTEX_M0_M0PLUS)
   
9.     ...
   
10. #else /* CONFIG_CPU_CORTEX_M3_M4 */
    
11.         /* 直接将中断优先级 _EXC_IRQ_DEFAULT_PRIO 写入中断屏蔽寄存器 BASEPRI
    
12.          * 所有优先级高于 _EXC_IRQ_DEFAULT_PRIO 的中断都会被屏蔽
    
13.          **/
    
14.     movs.n r0, #_EXC_IRQ_DEFAULT_PRIO
    
15.     msr BASEPRI, r0
    
16. #endif
    
17. 
    
18. #ifdef CONFIG_WDOG_INIT
    
19.     /* 初始化看门狗，略 */
    
20.     bl _WdogInit
    
21. #endif
    
22. 
    
23. #ifdef CONFIG_INIT_STACKS
    
24.     /* 初始化中断栈空间，在汇编里面使用寄存器传递参数，
    
25.          * r0 对应于 memset 的第一个参数
    
26.          * r1 对应于 memset 的第二个参数
    
27.          * r2 对应于 memset 的第三个参数
    
28.          * 注意到，栈空间的初始化值是 0xaa，而不是 0x0
    
29.          **/
    
30.     ldr r0, =_interrupt_stack
    
31.     ldr r1, =0xaa
    
32.     ldr r2, =CONFIG_ISR_STACK_SIZE
    
33.     bl memset
    
34. #endif
    
35. 
    
36.     /*
    
37.      * Set PSP and use it to boot without using MSP, so that it
    
38.      * gets set to _interrupt_stack during nanoInit().
    
39.      */
    
40.         /* 先将 PSP “指向” 栈顶(栈的起始地址+栈空间大小) */
    
41.     ldr r0, =_interrupt_stack
    
42.     ldr r1, =CONFIG_ISR_STACK_SIZE
    
43.     adds r0, r0, r1
    
44.     msr PSP, r0
    
45.         /* 然后再使能 PSP 寄存器 */
    
46.     movs.n r0, #2     /* switch to using PSP (bit1 of CONTROL reg) */
    
47.     msr CONTROL, r0
    
48. 
    
49.         /* 跳转到 _PrepC 函数处继续执行 */
    
50.     b _PrepC</pre>

复制代码

GDATA()、GTEXT() 都是对符号的申明，不再赘述。

SECTION_SUBSEC_FUNC(TEXT,_reset_section,__reset) 表示后面的代码属于 __reset() “函数”。

总结

CPU 在上电后做了如下几件事儿：

• 查找向量表，并跳转到复位向量的入口处继续执行
• 锁定中断
• 初始化看门狗(如果有需要)
• 初始化中断栈空间(如果有需要)
• 将栈指针 PSP 指向中断栈空间的顶部
• 跳转换到 _PrepC，继续为运行 C 环境做准备