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从复位向量到main函数：深入 aarch64 裸机启动全流程

你有没有想过，当你按下电源键的那一刻，CPU 是如何“活”起来的？它第一条指令从哪里来？又是怎样一步步建立起运行环境，最终调用我们熟悉的 C 语言main函数？

在 x86 平台，这个问题可能还带着实模式、保护模式切换的历史包袱。但在现代aarch64（ARMv8-A 64 位执行状态）架构中，这一切变得更加清晰而结构化——只要你知道该看哪里。

本文不讲理论堆砌，而是带你亲手实现一个最小可运行的 aarch64 裸机程序，从上电开始，穿越异常级别、栈初始化、向量表配置，直到c_main()被成功调用。整个过程无需操作系统，完全依赖汇编与链接脚本控制，适合嵌入式开发者、Bootloader 编写者和对底层机制好奇的技术爱好者。

启动起点：CPU 上电后第一件事

当 aarch64 处理器上电或复位时，硬件会将程序计数器（PC）指向一个预定义的物理地址，通常是：

0x0000_0000 或 0xFFFF_0000

这个地址就是所谓的复位向量（Reset Vector）。此时 CPU 已经处于 AArch64 执行状态，并且绝大多数 SoC 默认以最高特权级EL3启动。

✅ 为什么是 EL3？
因为它是安全监控器（Secure Monitor）的运行层级，也是 TrustZone 安全启动链的信任根。即使你不做安全功能，很多平台仍默认从此级开始。

在这个地址处，我们必须放置一段极简的汇编代码，作为整个系统的入口点_start。这段代码不能依赖任何运行时环境——没有栈、没有.data初始化、甚至不能直接调用 C 函数。

第一步：设置栈指针（SP），否则一切皆空

C 语言函数调用依赖栈来保存局部变量、返回地址和参数传递。但刚上电时，sp寄存器是未定义的。如果此时直接bl main，编译器生成的代码可能会尝试访问非法内存区域，触发Data Abort异常，系统瞬间死机。

所以，第一步必须手动设置栈指针。

假设我们的板子有片上 SRAM 或 DRAM 映射在0x80000000开始的位置，我们可以这样写：

.section ".text.startup" .global _start .equ STACK_TOP, 0x80001000 // 栈顶地址（高地址） _start: mov sp, #0x80001000 // 设置栈指针 mov x29, #0 // 清除帧指针 FP b c_main // 直接跳转（不用 bl，避免 LR 写入无效地址）

⚠️ 注意事项：
- aarch64 的栈向下增长，因此sp应指向分配内存的高地址。
- AAPCS64 要求栈保持16 字节对齐，所以我们选择0x80001000这样的边界。
- 不使用bl是为了防止无意中修改 X30（LR），虽然在这里影响不大，但属于良好习惯。

现在，栈准备好了，但我们还没完——万一发生异常怎么办？比如访问了错误地址，或者执行了非法指令？系统会直接飞掉。

第二步：建立异常向量表，让崩溃也能说话

aarch64 使用异常向量表（Exception Vector Table, EVT）来处理各种异常事件，包括：
- 复位
- 指令/数据中止
- IRQ/FIQ 中断
- 系统调用（SVC）

每个异常类型对应一个 128 字节的槽位，共 16 个槽，总计 2KB。这张表的位置可以由寄存器VBAR_EL3动态指定。

我们先定义一个最简版本的向量表：

.align 11 // 对齐到 2048 字节（2^11），确保表起始位置正确 .vector_table: // 当前 EL 发生同步异常（如非法指令、访存失败） .org 0x000 b handle_sync_el3 // 当前 EL 的 IRQ（外部中断） .org 0x080 b handle_irq_el3 // 当前 EL 的 FIQ .org 0x100 b handle_fiq_el3 // SError（系统错误） .org 0x180 b handle_serror_el3 // 其他情况省略...

接着，在_start中将其地址写入VBAR_EL3：

_start: // 设置栈 mov sp, #STACK_TOP // 加载向量表地址到 x0 adrp x0, .vector_table // 获取页基址 add x0, x0, #:lo12:.vector_table // 加上低 12 位偏移 msr vbar_el3, x0 // 写入 VBAR_EL3 b c_main

再补充一个简单的同步异常处理函数：

handle_sync_el3: stp x0, x1, [sp, #-16]! // 临时压栈 mrs x0, esr_el3 // 读取异常原因 mrs x1, far_el3 // 读取出错地址 // 此处可通过 UART 输出调试信息（后续扩展） b . // 死循环挂起

🔍 ESR_EL3 包含异常类型码（ISS），FAR_EL3 是故障虚拟地址。这两个寄存器是定位低层 crash 的关键线索。

有了这个机制，哪怕你的代码出了问题，也不会静默重启，而是能留下“遗言”。

第三步：理解异常级别（EL）与权限模型

aarch64 的核心安全机制之一就是异常级别（Exception Level, EL），共四级：

大多数裸机程序从 EL3 启动，但主逻辑通常降级到 EL1 运行，以模拟真实操作系统环境。

你可以通过以下方式检查当前 EL：

mrs x0, CurrentEL lsr x0, x0, #2 // 提取 bits[3:2] and x0, x0, #0b11 // 得到 EL 数值（3=EL3, 2=EL2...）

如果你想从 EL3 切换到 EL1 并运行非安全世界代码，还需要配置：
-SCR_EL3：启用非安全状态
-SCTLR_EL1：开启 MMU、对齐检查等
-SPSR_EL3：设置目标 EL 的处理器状态

不过对于初学者，先专注于 EL3 下运行 C 代码即可。

第四步：链接脚本设计——掌控内存布局的生命线

在裸机系统中，没有操作系统的加载器帮你搬数据。.data段需要从 Flash 复制到 RAM，.bss需要清零，这些都靠你自己安排。

这就引出了链接脚本（Linker Script）的重要性。

下面是一个典型的.lds文件：

ENTRY(_start) MEMORY { RAM : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 64M } SECTIONS { . = ORIGIN(RAM); /* 代码段 */ .text : { KEEP(*(.text.startup)) /* 必须放在最前面 */ *(.text) } > RAM /* 只读数据 */ .rodata : { *(.rodata) } > RAM /* 可读写数据段（需复制） */ .data : { _data_lma = LOADADDR(); /* 记录加载地址 */ *(.data) } > RAM /* BSS 段（清零） */ .bss ALIGN(16) : { _bss_start = .; *(.bss) _bss_end = .; } > RAM /* 丢弃调试符号 */ /DISCARD/ : { *(.comment) *(.debug_info) *(.note.gnu.build-id) } }

关键点说明：
-ENTRY(_start)确保_start是程序入口。
-KEEP(*(.text.startup))防止被优化掉，保证_start在.text最前端。
-_bss_start和_bss_end提供给 C 代码用于清零。
-.data的LOADADDR()可用于判断是否需要复制（例如从 ROM 到 RAM）。

第五步：进入 C 语言世界前的最后准备

虽然我们现在可以直接跳转c_main，但更完整的流程应该包含：

1. 复制.data段（如果代码存储在只读介质）
2. 清零.bss段
3. 可选：初始化 C++ 构造函数表（本文不涉及）

为此，我们在 C 层面提供一个启动函数：

// crt0.c - C runtime initialization extern char _data_lma, _data_vma, _edata; extern char _bss_start, _bss_end; void __attribute__((noinline)) copy_data_and_bzero_bss(void) { // 复制 .data char *src = &_data_lma; char *dst = &_data_vma; while (dst < &_edata) { *dst++ = *src++; } // 清零 .bss dst = &_bss_start; while (dst < &_bss_end) { *dst++ = 0; } } void c_main(void) { copy_data_and_bzero_bss(); // 现在可以安全使用全局变量了！ while (1) { // 用户逻辑 } }

当然，如果你只是跑个 demo，也可以跳过这一步，前提是所有变量都不在.data/.bss中。

常见陷阱与调试秘籍

❌ 陷阱 1：忘记设置栈就调用 C 函数

现象：CPU 上电后立即死机，无任何输出。

原因：C 函数试图使用 SP 存储局部变量或保存寄存器。

✅ 解法：务必在调用任何 C 函数前设置sp。

❌ 陷阱 2：链接脚本未保留.text.startup

现象：程序入口不是_start，而是某个随机函数。

原因：链接器按字母顺序排列.text段，导致_start不在开头。

✅ 解法：使用KEEP(*(.text.startup))并确保其优先链接。

❌ 陷阱 3：异常向量表未对齐或地址错误

现象：发生异常时系统行为不可预测。

原因：VBAR_EL3必须指向 2KB 对齐的地址，且表内偏移必须正确。

✅ 解法：使用.align 11并验证.vector_table地址确实是 2048 字节对齐。

✅ 调试建议

• 使用 QEMU 模拟器快速测试：
  bash qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 -nographic \ -kernel your_image.bin -semihosting
• 添加 LED 闪烁或 UART 输出作为“心跳”信号。
• 利用 GDB 单步跟踪_start执行流程：
  gdb (gdb) target remote :1234 (gdb) break _start (gdb) stepi

结语：掌握裸机，才能真正驾驭硬件

从_start到c_main，看似只有几步，实则贯穿了现代处理器的核心机制：异常模型、栈规范、内存布局、链接控制。

这套流程不仅是编写 U-Boot SPL、Barebox 或 TrustZone TA 的基础，更是你在遇到 kernel panic、early boot crash 时能够独立分析的根本能力。

下一步你可以尝试：
- 添加串口驱动，打印 “Hello from bare-metal!”
- 启用 MMU 实现虚拟内存
- 实现多核启动（PSCI 调用）
- 构建支持加载 ELF 的小型 Bootloader

技术之路，始于脚下。现在，你已经迈出了最关键的第一步。

如果你正在实践这一流程，欢迎在评论区分享你的开发板型号和遇到的问题，我们一起 debug。