1. 硬件基础与地址空间

1.1 MCU 组成与存储特性

单片机简化模型为若干部件经总线连接：

1.2 Cortex-M 4GB 地址空间

ARM 将各部件统一编址到 4GB 空间，整体布局由内核规范约定，各厂家在区域内填充实际容量：

1.3 核心寄存器

• PC（R15，程序计数器）：指向下一条待执行指令的地址，程序运行的本质是 PC 持续移动。
• SP（R13，栈指针）：指向栈顶。存在两个物理分身：MSP（主栈指针） 与 PSP（进程栈指针），由 CONTROL 寄存器的 SPSEL 位选择生效者。裸机程序通常全程使用 MSP；PSP 一般留给 RTOS 为各任务提供独立栈，MSP 则服务于中断与内核。
• LR（R14，链接寄存器）：保存函数返回地址，复位后值为 0xFFFF_FFFF。
• R0~R12 为通用寄存器。
• 复位后默认使用 MSP，运行在特权级（可访问全部寄存器）；与之相对的非特权级用于 OS 隔离用户任务。

1.4 栈的生长方式

Cortex-M 采用满递减栈：压栈时 SP 先减 4 再写入数据，栈向低地址方向生长。因此栈顶初值需设置在 SRAM 顶端（确切说为末端地址再加 1，首次压栈前会先自减）。

2. 复位与启动源选择

2.1 上电复位与复位源

电源接通后电压爬升到工作阈值需要时间，期间数字电路状态不确定，芯片内部复位电路持续拉住复位信号，直至电源稳定才释放。

• POR（Power-On Reset，上电复位）：内部电源电压检测电路，电压低于阈值保持复位，升高并稳定后释放。
• NRST 引脚：外部复位脚，拉低触发同等复位，复位按键即接于此。
• 复位源：触发复位的原因统称，包括上电、外部引脚、看门狗、软件复位（NVIC 的 SYSRESETREQ）等。复位/时钟控制模块（AT32 称 CRM，STM32 称 RCC）中通常有寄存器可读出本次复位源。

2.2 别名区与地址重映射

内部 Flash 位于 0x0800_0000，而内核硬件规定复位后从 0x00 取向量。芯片通过地址重映射（remap），根据 BOOT 引脚上电电平，将 0x00 起始的**别名区（Aliased region）**映射到不同物理存储器：

因此复位后访问的 0x00 是别名区，相当于 Flash 开头的一个窗口；烧录在 0x0800_0000 的第一个字，复位时即可从 0x0000_0000 读到。BOOT 引脚数量与启动源组合因型号而异，需以具体芯片参考手册为准。

2.3 复位释放后的硬件动作

复位信号释放瞬间，内核硬件自动完成两步操作，此时尚未执行任何程序代码：

1. 从 0x0000_0000 读出 4 字节写入 MSP（栈顶地址）；
2. 从 0x0000_0004 读出 4 字节写入 PC（复位向量，即 Reset_Handler 地址）。

随后 CPU 从 PC 指向处开始取指执行。先初始化栈指针的原因：任何函数调用与任何异常处理都依赖栈，栈必须先于其他一切就绪。

3. 中断向量表与异常机制

3.1 向量表结构

0x0000_0000（Flash 开头）存放的不是指令，而是中断向量表（Vector Table）——一张每项 4 字节的地址数组：

3.2 异常与中断相关概念

• 异常（Exception）：打断正常程序流、迫使 CPU 跳转执行处理函数的事件统称。复位属于异常，其优先级高于其他所有异常。
• 中断（Interrupt）：由外设触发的异常，对应向量表第 16 项起的表项。
• ISR（中断服务程序）：向量表项指向的处理函数，如 USART1_IRQHandler。
• NVIC（嵌套向量中断控制器）：内核标配的中断管理器，负责中断使能、优先级仲裁与嵌套。中断发生后，NVIC 按中断号直接查向量表取得处理函数地址并跳转，无需软件逐个查询中断来源。

3.3 异常进入与自动压栈

异常发生时，CPU 自动将 xPSR、PC、LR、R12、R3~R0 共 8 个字压入当前栈（保护现场），随后查表跳转至 ISR；ISR 末尾通过特殊返回指令（EXC_RETURN）触发硬件自动出栈，恢复被中断的现场。该机制同样解释了栈指针须在复位后第一时间初始化的原因。

3.4 VTOR

VTOR（Vector Table Offset Register，向量表偏移寄存器） 记录向量表当前所在位置。复位后默认值为 0（指向别名区），之后可将向量表迁至其他地址（如 bootloader 跳转 app、程序重定位场景）。Cortex-M4 要求 VTOR 基址按向量表大小向上取整到 2 的幂对齐，下限为 128 字节。

4. 启动文件与时钟初始化

4.1 Reset_Handler

Reset_Handler 与整张向量表位于启动文件（Keil 工程通常为 startup_xxx.s，CMSIS 标准组成部分，由芯片厂家提供）。向量表在汇编中以 DCD 指令逐项列出：

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__Vectors   DCD     _initial_sp              ; 栈顶地址
            DCD     Reset_Handler            ; 复位处理
            DCD     NMI_Handler
            DCD     HardFault_Handler
            ...
            DCD     USART1_IRQHandler        ; 外部中断从此开始

Reset_Handler 的典型内容（Keil/ARMCC 工具链）为两步：

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Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler   [WEAK]
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

即先调用 SystemInit，再进入 __main。

4.2 弱符号机制

启动文件中所有中断处理函数均以 [WEAK]（弱符号）给出默认实现（通常为死循环）。链接时若工程中存在同名函数则采用自定义版本，否则采用默认版本。由此只需实现实际使用的中断，不必写齐全部 ISR。

4.3 SystemInit

SystemInit 位于 system_xxx.c（厂家提供），主要完成：

1. 配置系统时钟：复位后芯片默认由内部 RC 振荡器（HSI，精度一般）直接驱动；SystemInit 一般负责切换至外部晶振（HSE）并启动 PLL（锁相环） 倍频，将主频提升至目标值。相关概念为时钟树（Clock Tree）：振荡源 → PLL 倍频 → 分频器 → 内核及各外设的完整分配网络。部分厂家将倍频放在 main() 内的时钟配置函数中，目的相同。
2. 设置 VTOR（经 VECT_TAB_OFFSET 宏）。
3. 使能 FPU（浮点运算单元）（Cortex-M4F，写 CPACR 寄存器）；未使能时执行浮点指令会触发硬件错误。

5. C 运行时环境的建立

5.1 直接跳转 main() 的问题

__main 并非应用代码中的 main()，而是 Keil ARMCC 运行时库入口（GCC 工具链对应 _start 或启动汇编中手写的拷贝循环）。以下代码说明了运行时环境尚未就绪的问题：

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int g_count = 10;   /* .data：初值 10 从哪来？ */
int g_flag;         /* .bss：谁来保证开机是 0？ */

int main(void)
{
    while (g_flag == 0) { g_count++; }
}

CPU 刚复位时 SRAM 中为随机值。g_count 等于 10、g_flag 等于 0 属于 C 语言的语义保证，兑现该保证的正是 __main。

5.2 段的划分

编译链接后，链接器按属性将内容分为若干段（section）：

5.3 .data 拷贝与 .bss 清零

.data 变量本体须在 SRAM 中方可读写，而其初值为常量、烧录时只能存于 Flash，因此 .data 具有两个地址：

• 加载地址（LMA）：初值在 Flash 中的存放位置；
• 运行地址（VMA）：变量在 SRAM 中的工作位置。

__main 的核心工作：

1. 拷贝：将 .data 初值从 Flash（LMA）整体搬至 SRAM（VMA）；
2. 清零：将 .bss 对应 SRAM 区域全部写 0；
3. 完成后调用应用代码的 main()。

堆与栈无需初始化内容，链接时规划边界即可：栈自 SRAM 顶端向下生长，堆自 .bss 末尾向上生长，中间间隔耗尽即为栈溢出，可能破坏堆或全局变量，表现为异常死机。

5.4 链接脚本与分散加载文件

各段的地址归属由链接描述文件规定：

• Keil ARMCC：分散加载文件（scatter file，.sct），以加载域（Load Region，烧录位置）与执行域（Execution Region，运行位置）描述 LMA/VMA 关系；
• GCC：链接脚本（linker script，.ld），MEMORY 定义 Flash/SRAM 起始与大小，SECTIONS 定义各段归属。

划分规则可概括为：需修改的内容（变量、栈、堆）必须进入 SRAM，只读内容（代码、常量）留在 Flash 以节省 RAM。启动文件引用的 _initial_sp 同样由链接脚本定义，取值为 SRAM 末端。

5.5 XIP

XIP（eXecute In Place） 指代码在 Flash 中原地执行，无需先搬入 RAM，是内部 Flash 单片机的常规执行方式。

6. 烧录与存储布局

6.1 烧录仅写入 Flash

烧录（ISP、J-Link/SWD 烧写）只写非易失存储器，即 Flash。SRAM 为易失介质，且烧录时目标程序并未运行，烧录器不会将运行时 SRAM 内容作为固件写入。

6.2 烧录文件的内容

hex/bin 烧录文件的地址记录全部落在 Flash 区间：

axf/elf 文件额外携带符号与段描述（LMA、VMA、大小），供调试器与 fromelf 等工具使用，烧录动作本身仍只落 Flash。

6.3 加载域视图与执行域视图

烧录文件对应加载域视图：描述哪些字节位于 Flash 的哪个位置。运行时对应执行域视图：.data 本体与 .bss 位于 SRAM。两种视图之间的搬运由启动代码（__main）在每次上电后完成，SRAM 布局并非烧录产物，而是上电后按链接脚本规划现场重建的。

6.4 烧写过程中的 SRAM 使用与 RAM 运行例外

• 烧写算法：J-Link 等烧录器工作时，会先向芯片 SRAM 下载一段自带的烧写算法程序（J-Link 称 RAMCode，Keil 中对应 Flash Algorithm 文件），由 CPU 执行该代码操作 Flash 控制器完成擦写。该程序属于烧录工具的临时组件，与目标固件的 .data、.bss 无关。
• RAM 运行：调试阶段可将链接脚本改为全部链到 SRAM，由调试器写入镜像后运行（断电即失，属于调试手段而非烧录）；部分芯片（如 STM32H7）将关键代码搬至 ITCM 加速，搬运同样由启动代码完成。

6.5 布局验证方法

1. 查阅 Keil 生成的 .map 文件：各 Execution Region 与 Load Region 的地址、大小均有列出，可直接看到 .data 的 Execution Base 位于 SRAM、Load Base 位于 Flash；
2. 使用 fromelf --text -c 或 objdump 反汇编 axf，查看各段 LMA/VMA；
3. 直接查看 hex 文件（Intel HEX 为文本格式）：所有数据记录地址均在 0x0800_xxxx 范围，不存在 0x2000_xxxx 的记录，可作为烧录仅写 Flash 的直接证据。

7. main() 之后的运行形态与 bootloader

7.1 裸机与 RTOS 形态

main() 中的典型流程为：外设初始化（GPIO、SPI、USART、DMA、中断优先级），随后：

• 裸机：进入 while(1) 主循环与中断配合的架构。main() 不应返回，返回将落入运行时库 exit() 的死循环。
• RTOS：创建任务后启动调度器，PSP 投入使用为各任务提供独立栈，SysTick 中断驱动任务切换，MSP 专职服务中断。

7.2 bootloader 的跳转机制

bootloader 本质上是一个普通程序，职责是在跳转 app 之前，手动重演一遍硬件复位时内核完成的动作。带 bootloader 时 Flash 布局为：bootloader 占据头部（0x0800_0000 起），app 位于其后，芯片复位后总是先执行 bootloader，由其决定进入升级流程或跳转 app。

跳转的简化实现：

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jump_addr  = *(uint32_t *)(APP_ADDR + 4);          /* app 的 Reset_Handler */
jump_stack = *(uint32_t *)(APP_ADDR + 0);          /* app 的栈顶           */

__set_MSP(jump_stack);                              /* ① 重设栈顶          */
SCB->VTOR = APP_ADDR;                               /* ② 向量表指向 app     */
((void (*)(void))jump_addr)();                      /* ③ 跳转，不再返回     */

跳转前通常还需关闭全局中断、将已用外设与时钟恢复至复位状态，避免 bootloader 残余配置污染 app。app 侧需在链接脚本中将起始地址改为 APP_ADDR，并保证 SystemInit 中 VTOR 偏移一致。

7.3 ISP、IAP 与双分区 OTA

8. 启动流程总览

1. 上电：POR 电路拉住复位，等待电源稳定；
2. 复位释放：硬件读 0x00 → MSP，读 0x04 → PC（Reset_Handler）；
3. SystemInit：配置时钟树（HSI/HSE/PLL）、使能 FPU、设置 VTOR；
4. __main：.data 初值自 Flash 拷至 SRAM，.bss 区域清零；
5. main()：外设初始化，进入 while(1) 主循环或 RTOS 调度器；
6. 运行期间中断随时插入：NVIC 查向量表 → 自动压栈 → ISR → 自动出栈返回。

附录 A 术语速查

说明：机制性内容（取 MSP/PC、向量表结构、压栈行为、段拷贝）属于 Cortex-M 内核规范，适用于 AT32F415；BOOT 引脚组合、Flash/SRAM 容量、时钟树具体频率等与型号强绑定，需以对应料号的数据手册与参考手册为准。