Cortex-M双堆栈机制详解：MSP与PSP如何守护系统安全

一、 MSP vs. PSP：双堆栈机制的奥秘

在 Cortex-M 中，R13 寄存器是堆栈指针（SP）。但实际上，内部有两个物理寄存器：MSP（Main Stack Pointer，主堆栈指针） 和 PSP（Process Stack Pointer，进程堆栈指针）。但在任何时刻，只有一个会被映射到 R13。

1. 它们的分工

• MSP (主堆栈指针)：
  • 身份：系统的“安全保障”。
  • 使用场景：
    1. 刚上电到进入 OS 之前的初始阶段。
    2. 所有的中断服务程序 (ISR)。不管你当前运行的是哪个任务，只要中断来了，CPU 就会强行切换到 MSP。
    3. RTOS 的内核调度逻辑。
• PSP (进程堆栈指针)：
  • 身份：任务的“私有空间”。
  • 使用场景：
    1. 在有 RTOS 的环境下，用户任务（Task/Thread）运行期间。
    2. 每个任务都有自己独立的 PSP 区域。

2. 为什么要搞两套堆栈？（核心原因：隔离）

• 防止崩溃蔓延：如果某个用户任务发生了栈溢出，它只会破坏自己的 PSP。由于中断使用的是 MSP，系统依然能响应中断，内核依然能运行，从而有机会在中断里捕获这个错误并重启任务。
• 简化 RTOS 设计：
  • 如果没有 PSP，所有任务和中断都共用一个 MSP。那么当中断嵌套时，MSP 的空间很难预测。
  • 有了 PSP，RTOS 切换任务只需要换一下 PSP 的值，而不需要担心被中断里的数据干扰。

---

二、 为什么 Bin 文件起始 4 字节必须是 MSP 的数值？

这是 Cortex-M 硬件逻辑的硬性规定。当你按下复位键，CPU 内部的状态机执行的是一套“死”程序：

1. 硬件自动加载序列

在上电的第一纳秒，CPU 甚至还不知道怎么执行指令（代码还没有从存储器加载），硬件逻辑会强制执行以下两个动作：

1. 动作一：从 0x0000 0000（或映射后的 Flash 起始地址）读取 4 字节，赋值给 MSP。
2. 动作二：从 0x0000 0004 读取 4 字节，赋值给 PC。

2. 为什么必须先加载 MSP，再加载 PC？

你可能会想：我先运行复位代码（PC），在代码第一行自己设置 SP 不行吗？
答案是：不行。原因有二：

• 原因 A：为了应对异常（Exception Ready）
  如果在执行复位代码的第一行指令时，突然发生了一个硬件故障（Hard Fault）或 NMI 中断，CPU 必须立即跳转到对应的异常处理函数。
  重点来了：进入异常意味着要“压栈”（保存现场）。如果此时 SP 还没有值，CPU 就没法压栈，系统会直接进入致命状态（Lockup）。所以，必须保证在执行第一行指令前，栈指针就已经合法。

• 原因 B：支持 C 语言环境
  Cortex-M 的设计目标是“全 C 开发”，尽量不需要写汇编。C 语言的函数调用（如 SystemInit）依赖栈。如果硬件不自动加载 MSP，你就必须写一段汇编来初始化栈，这违背了“开箱即 C”的设计理念。

---

三、 结合模型看这 4 个字节

让我们回到之前的内存分布模型：

Flash (0x0800 0000)
+-----------------------+ 
| 0x2000 5000 (MSP值)   | <--- 地址 0x00 (这就是 Bin 文件的头 4 字节)
+-----------------------+ 
| 0x0800 0101 (PC值)    | <--- 地址 0x04 (Reset_Handler 的位置)
+-----------------------+ 
| 其他中断向量...        |
+-----------------------+
| .text (代码)           |
| ...                   |

1. Bin 文件头 4 字节的值是什么？
   它通常是 RAM 的结束地址（即栈顶）。例如，如果 RAM 范围是 0x20000000 到 0x20005000，那么这 4 字节存的就是 0x20005000。
2. 它是怎么写进去的？
   链接脚本（.ld 文件）里有一句：KEEP(*(.isr_vector))。它告诉链接器，把中断向量表（包含 MSP 初值）放在 Flash 的最开头。

---

四、 小结：从上电到启动的瞬间

1. 上电。
2. 硬件逻辑电路（而非代码）从 Flash 0x00 地址抠出 4 个字节，塞进 MSP 寄存器。
3. 硬件逻辑电路从 Flash 0x04 地址抠出 4 个字节，塞进 PC 寄存器。
4. CPU 开始转动，根据 PC 的地址去取指。
5. 第一行指令运行。即使这行代码是一个函数调用（BL），因为 MSP 已经有了刚才加载的 0x20005000，硬件可以直接把返回地址压入 RAM，一切有条不紊。

这就是为什么你去看任何一个 STM32 的 Bin 文件，前 8 个字节永远是类似 00 50 00 20 01 01 00 08 这样的数据。 它是 MCU 启动的“生命保障数据”。