Bootloader/IAP零基础入门（1.0） —— 设计一个Bootloader引导进入APP的程序，不含中断向量偏移

前言

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（2）上一章节我们简单的科普了学习Bootloader/IAP所需的的前置知识，那么本章节主要是一个简单的Bootloader引导程序，将Bootloader引导进入APP程序中。
（3）上一章节博客地址：Bootloader/IAP零基础入门（0） —— Bootloader/IAP的前置知识
（4）系列教程仓库链接：GitHub仓库
（5）注意：本章节只是做一个Bootloader引导进入APP的程序教程。因此Bootloader会做的很简陋！不可以用于实际项目！

前期准备

制作APP程序

（1）因为我开发板上有两个LED，因此GPIO配置如下。设置SYS和RCC的部分我不进行赘述。

（2）生成工程之后，MDK中写入程序如下：

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
	HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
	HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
	HAL_Delay(1000);
  }
  /* USER CODE END 3 */

（3）程序烧录进去之后，我们能够看到开发板上两个LED每隔1s进行闪烁。

制作Bootloader程序

（1）首先我们打开串口1的初始化。设置SYS和RCC的部分我不进行赘述。

在这里插入图片描述

（2）工程创建出来之后，打开微库。

在这里插入图片描述

（3）加入头文件，按Ctrl+F搜索Private includes，补充如下代码。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

（4）串口重映射，按Ctrl+F搜索Private user code，补充如下代码。

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

（5）添加应用代码，按Ctrl+F搜索USER CODE BEGIN 2，补充如下代码。

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	printf("-------------------------------------\r\n");
	printf("---www.zyxbeyourself.blog.csdn.net---\r\n");
	printf("-------------------------------------\r\n");
	printf("--------------Bootloader-------------\r\n");
	printf("-------------------------------------\r\n");
	printf("--------zhangyixu02@gmail.com--------\r\n");
	printf("-------------------------------------\r\n");
  /* USER CODE END 2 */

（6）上机测试，复位之后能够看到串口打印如下数据

在这里插入图片描述

工程合成

Keil MDK的配置

（1）我们打算给Bootloader准备10KB的内存大小。因此我们将IROM1的Size设置为0x2000。

在这里插入图片描述

（2）因为Bootloader为10KB，所以APP程序的IROM1的Size设置为0x7E000，Start设置为0x8002000。

在这里插入图片描述

Bootloader需要添加的引导程序

（1）在Bootloader中加入引导程序。在前面的

uint32_t AppStartFlash = 0x8002000UL;       //app的flash起始地址
__set_MSP(*(volatile uint32_t *)AppStartFlash);  //设置APP栈顶地址(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)
typedef void (*AppFunction)(void);       //定义一个函数指针类型
AppFunction AppEnter = (AppFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + 4);   //app的flash起始地址+4才是复位中断程序
AppEnter();

在这里插入图片描述

Bootloader代码讲解

设置APP栈顶指针的作用

栈的作用

（1）首先我们需要知道栈顶指针的作用，这样才能更好的知道明白为啥需要设置栈顶指针。
（2）我们先看下面的这段代码。我们会发现，Test_A()函数会调用Test_B()函数，而Test_B()函数里面存在一个10字节的数组，这个数组是局部变量。
<1>现在我们根据汇编代码进行分析。首先，Test_A()函数会调用BL指令跳转到Test_B()函数中。
<2>进入Test_B()函数，首先是使用PUSH命令将r1，r2，r3，lr这四个寄存器的值压入栈中。这个过程就是保护上一次函数调用的环境。
<3>之后是MOVS指令，将r0寄存器的值清零。
<4>然后是3个STR指令，将r0的值存放进入栈地址偏移0，4，8的地址中。
<5>然后使用POP命令，栈中的r1，r2，r3，lr这四个寄存器进行恢复。（因为第四步，所以会导致r1，r2，r3这三个寄存器被清零。因为STM32F103栈是向下生长的，当需要为函数调用或其他堆栈操作分配空间时，堆栈指针(SP)的值会减小）
（3）从这个例子中我们可以知道，当发生函数调用的时候，栈有两个作用：

存储局部变量的值。
函数调用的返回地址和一些必要的相关信息存储。

/*--- C代码 ---*/
void Test_B()
{
	volatile uint8_t arr[10] = {0};
	//...省略
}
void Test_A()
{
	Test_B();
}
/*--- 汇编代码 ---*/
i.Test_A
Test_A
	BL   Test_B
i.Test_B
Test_B
	PUSH     {r1-r3,lr}
	MOVS     r0,#0
	STR      r0,[sp,#0]
	STR      r0,[sp,#4]
	STR      r0,[sp,#8]
	POP      {r1-r3,pc}

（4）除了上面我说的两个作用。在程序发生中断的时候，我们需要保护当前程序的环境。对于M3M4内核的芯片，会自动将寄存器的值压入栈中，保护当前的环境。
（5）在OS中，发生任务调度，也需要栈来保存任务的执行状态。（其实任务调度本质上就是利用的中断，不过加了一些复杂的处理机制）
（6）因此，我们可以得出结论栈有四大作用：

存储局部变量的值。
函数调用的返回地址和一些必要的相关信息存储。
用于中断的现场保护。
OS中保存任务的执行状态。

Bootloader的栈顶和APP的栈顶区别是什么

（1）上面我们知道了栈的作用之后，我们就需要考虑一个问题。在上一章节博客中，我们不是说M3M4内核启动的时候，会自动从0地址（STM32F103是0x08000000，这个涉及内存映射的知识，自行了解）取出4字节数据，作为栈顶指针吗？既然Bootloader已经设置好了栈顶指针，而且Bootloader和APP的RAM都是从0x20000000开启，为什么我们这里还需要重新设置一次栈顶指针呢？
（2）在前文我们说了，芯片启动，完成芯片的系统初始化之后，其实是跳转到__main函数，而不是main函数。在__main函数中会进行数据段的搬运和BSS段的清零。Bootloader和APP的RAM虽然都是从0x20000000开启，但是他们的数据段和BSS段大小都不一样，值也不同。因此需要重新设置一次栈顶指针的值。
（3）扩展知识：这个栈顶指针我们是怎么知道的呢？
<1>栈顶指针的值其实是由编译器给出的，编译器在编译过程中，会产生一个__initial_sp变量，这个变量存放着栈顶指针的值。我们在.s文件中能够看到下面这行代码，也就是将__initial_sp这个变量的值存入首地址。

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack

<2>知道__initial_sp值的方法有两种，一种是看反汇编的Flash起始地址的4字节数据。另外一种是看map文件，如下：

在这里插入图片描述

__set_MSP()函数的作用

（1）有了上面的基础，我们就知道了设置栈的作用。现在还需要科普一个知识。对于M3M4内核而言，为了对RTOS做支持，因此存在两个堆栈指针。对于裸机程序，我们只需要知道我们只用到了MSP这个堆栈指针。
（2）然后上一章节在讲解STM32F103的启动流程的时候，我也说了，程序的首地址存放的是栈顶指针地址。AppStartFlash作为APP的Flash首地址，因此该地址存放着APP的栈顶地址值。于是我们通过一下方法取出APP的栈顶地址值，然后将这个值赋予给MSP寄存器。

uint32_t AppStartFlash = 0x8002000UL;     //app的flash起始地址
__set_MSP(*(volatile uint32_t *)AppStartFlash);  //设置APP栈顶地址(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)

从Bootloader引导进入APP程序分析

（1）这一部分需要一定的函数指针的知识。首先，我们先定义一个无返回值，无需传入参数的函数指针AppFunction()。
（2）然后上一章节，讲解STM32F103的启动流程的时候说了，首地址的4字节存放栈顶指针地址，紧接着的4字节就是复位函数的地址。如果我们需要跳转进入APP程序，就需要跳转进入APP的复位中断函数地址处。于是我们这里取出AppStartFlash偏移4字节地址的值，然后跳转过去即可。

typedef void (*AppFunction)(void);       //定义一个函数指针类型
AppFunction AppEnter = (AppFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + 4);   //app的flash起始地址+4才是复位中断程序
AppEnter();