目录
一、BootLoader基础
二、BootLoader原理及配置
三、BootLoader程序
bootloader.h
bootloader.c
四、Application1 用户程序
application1.h
application1.c
五、Application2 用户程序
application2.h
六、程序运行效果
七、工程文件Demo
一、BootLoader基础
对于接触过嵌入式Linux系统开发的开发者们，想必对BootLoader是不陌生的，因为定制化移植Linux系统，最先接触的就是BootLoader程序。但如果是从单片机MCU起步的开发者，可能对BootLoader就不是那么熟悉了，因为单片机开发最先接触的往往是GPIO外设的驱动开发。但不管是嵌入式Linux的MPU开发，还是嵌入式单片机的MCU开发，BootLoader的功能都是一样的。它是嵌入式系统中一种特殊的软件程序，它在系统加电或复位后最先执行，负责初始化硬件设备、设置系统环境，并最终引导加载操作系统内核或用户指定的应用程序。BootLoader 起到了桥梁的作用，连接了硬件启动与高级软件运行之间的环节，确保系统能够从一个初始、裸机的状态过渡到一个完整的、可操作的运行环境。
当然，除了嵌入式开发者们，对于喜欢DIY装机的极客们，对于BootLoader应该也是不陌生的，并且经常接触到它，如电脑在安装或开启Windows时的BIOS界面，本质上也是一个BootLoader引导程序。如下图为常见的BootLoader显示的GUI界面图。
如下例举的是一些BootLoader 的主要功能和作用：
①、硬件初始化：
- 开启和配置基本的硬件模块，如CPU、时钟、内存控制器、中断控制器、串口、GPIO等，使它们进入工作状态。
- 设置堆栈、中断向量表等关键数据结构，为后续软件执行做好准备。
②、内存管理：
- 建立内存空间映射图，识别可用的RAM区域及其大小，为操作系统内核分配合适的运行空间。
- 对于使用MMU（Memory Management Unit）的系统，可能还需要设置内存分页和映射规则。
③、引导加载操作系统：
- 从非易失性存储器（如Flash、EEPROM、NAND/NOR Flash等）中读取并验证操作系统的内核映像。
- 将内核映像加载到RAM中指定的位置，并按照内核所需的特定格式设置启动参数和环境变量。
④、固件升级：
- 提供一种安全机制，允许在运行时通过网络、串口、USB等接口接收新的固件映像，并将其写入非易失性存储器，实现设备的远程或本地固件更新。
⑤、系统诊断与恢复：
- 可能包含简单的故障检测和恢复机制，如硬件自检、低级别固件修复、安全模式启动等功能，帮助在系统启动失败时进行故障排查和恢复。
⑥、多重引导支持：
- 在某些系统中，BootLoader 可能支持选择加载不同的操作系统版本或应用程序，提供多启动选项，增强系统的灵活性和可定制性。
目前BootLoader 的应用广泛存在于各种嵌入式系统中，如消费电子领域中，随处可见的智能手机，智能电脑，智能手表、路由器等。在汽车电子领域的车载系统ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）模块、ECU（Electronic Control Units）等，及医疗设备领域的便携式医疗仪器、监护设备、植入式医疗器械等。基本上有电子产品的地方，都能看到BootLoader的身影，因此掌握BootLoader是从事嵌入式开发的一项非常基本的技能。
二、BootLoader原理及配置
本文主要是针对单片机MCU设备进行BootLoader的配置讲解，目标设备为STM32G431，开发平台是MDK KEIL V5以上。
如下图所示是FLASH中的数据分布图，可见FLASH的用户代码区域的起始程序为BootLoader引导程序，然后紧接着的是应用程序APP1和应用程序APP2。
其中，BootLoader和APP1及APP2都是完整的用户代码程序，但因BootLoader只起一个引导跳转APP启动操作，所以占用的FLASH内存空间较小。
提醒：App的个数可以根据实际需求进行设置，只要不超过FLASH的内存空间大小限制即可，为了效果展示，在本文中设置了一个BootLoader程序，两个APP应用程序进行切换。
如下图所示的是，Bootloader、App1、App2在FLASH中的内存地址映射图。在BootLoader的程序配置好后，根据触发条件的不同，会自动跳转到不同的APP应用程序。
BootLoader和APP应用程序的启动跳转切换，原理上就是内存地址的切换，当BootLoader程序接收到对应的操作触发条件时，会进行相应的地址跳转切换，及一些其它的附加操作，然后执行该地址空间上的用户程序。但一般来说，BootLoader中会进行CPU工作模式、配置内存控制器、初始化外设等工作，为后续程序运行创建一个稳定的硬件环境。所以在APP中可以节省掉BootLoader中已经进行过的硬件环境配置。
如下图所示为《STM32G4系列微控制器参考手册》官方文件中截图下来的，STM32的FLASH中是按块进行读写操作的，所以内存空间配置时，必须以块为最小单元分配。
如何配置BootLoader及APP应用程序的下载烧录？
①、单击魔术棒
②、选择Target
③、修改IROM1中的Start地址数据及Size数据
修改Size空间的大小时，需要先确定程序编译后的内存大小是多少，如果内存空间配置不够，会导致编译及下载报错。如下图所示为查看程序编译后需要的内存空间大小的方式。 
三、BootLoader程序
bootloader.h
#ifndef __BOOTLOADER_H
#define __BOOTLOADER_H
#include "main.h"
#define FLASH_BASE_ADDR (uint32_t)(0x08000000)
//BootLoader 预留10KB的FLASH空间 --- (0x0800 0000 --> 0x0800 27FF)
//Application1 预留20KB的FLASH空间 --- (0x0800 2800 --> 0x0800 77FF)
//Application2 预留20KB的FLASH空间 --- (0x0800 7800 --> 0x0800 C7FF)
#define BOOT_BASE_ADDR FLASH_BASE_ADDR
#define APP1_BASE_ADDR (uint32_t)(0x08002800)
#define APP2_BASE_ADDR (uint32_t)(0x08007800)
#define KEY_DOWN GPIO_PIN_RESET
#define KEY_UP GPIO_PIN_SET
#define LED1 LED1_LCD8_Pin
#define LED2 LED2_LCD9_Pin
#define LED3 LED3_LCD10_Pin
#define LED4 LED4_LCD11_Pin
#define LED5 LED5_LCD12_Pin
#define LED6 LED6_LCD13_Pin
#define LED7 LED7_LCD14_Pin
#define LED8 LED8_LCD15_Pin
#define LED_ON GPIO_PIN_RESET
#define LED_OFF GPIO_PIN_SET
extern volatile uint8_t key1_flag;
extern volatile uint8_t key2_flag;
void BootLoader_Code(void);
void Key_San(void);
void LED_Control(int led, int state);
void LED_Close_All(void);
#endif
bootloader.c
#include "bootloader.h"
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction Boot_Jump_to_App;
uint32_t jump_addr;
#if 0
//初始化用户栈指针汇编程序
__ASM void __set_MSP(uint32_t mainStackPointer)
{
msr msp, r0
bx lr
}
#endif
/**
* @brief BootLoader程序
* @param None
* @retval None
*/
void BootLoader_Code(void)
{
LED_Close_All();
printf("------------Hello BootLoader V 1.0---------\r\n");
printf("------------Editor:牛马大师兄--------------\r\n\r\n");
printf("------------Press KEY1 Boot APP1-----------\r\n");
printf("------------Press KEY2 Boot APP2-----------\r\n");
//扫描按键状态，根据按键跳转到相应的APP程序
while(1)
{
Key_San();
if(key1_flag==1||key2_flag==1)
{
break;
}
}
if(key1_flag == 1)
{
//检查用户代码1的栈顶地址，是否位于0x20000000~0x2001ffff内。
if (((*(volatile uint32_t*)APP1_BASE_ADDR) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
{
printf("\r\n-------------- APP1 Starting --------------\r\n");
//屏蔽所有中断，防止跳转过程中，中断干扰
__disable_irq();
//用户代码的第二个字，为程序开始地址(复位地址)
jump_addr = *(volatile uint32_t*)(APP1_BASE_ADDR+4);
Boot_Jump_to_App = (pFunction)jump_addr;
//初始化用户栈指针
__set_MSP(*(volatile uint32_t*) APP1_BASE_ADDR);
//用户程序跳转
Boot_Jump_to_App();
}
}else if(key2_flag == 1)
{
//检查用户代码2的栈顶地址，是否位于0x20000000~0x2001ffff内。
if (((*(volatile uint32_t*)APP2_BASE_ADDR) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
{
printf("\r\n-------------- APP2 Starting --------------\r\n");
//屏蔽所有中断，防止跳转过程中，中断干扰
__disable_irq();
//用户代码的第二个字，为程序开始地址(复位地址)
jump_addr = *(volatile uint32_t*)(APP2_BASE_ADDR+4);
Boot_Jump_to_App = (pFunction)jump_addr;
//初始化用户栈指针
__set_MSP(*(volatile uint32_t*) APP2_BASE_ADDR);
//用户程序跳转
Boot_Jump_to_App();
}
}
}
volatile uint8_t key1_flag = 0;
volatile uint8_t key2_flag = 0;
/**
* @brief 按键扫描程序
* @param None
* @retval None
*/
void Key_San(void)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
{
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
{
key1_flag = 1;
printf("\r\n--------------- KEY 1 PRESS ---------------\r\n");
LED_Control(LED1, LED_ON);
}
}
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, KEY2_Pin) == KEY_DOWN)
{
HAL_Delay(10);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
{
key2_flag = 1;
printf("\r\n--------------- KEY 2 PRESS ---------------\r\n");
LED_Control(LED2, LED_ON);
}
}
}
/**
* @brief LED控制程序
* @param led：操作的LED灯
* @param state：LED的状态
* @retval None
*/
void LED_Control(int led, int state)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, led, state);
HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
/**
* @brief 关闭全部的LED指示灯
* @param None
* @retval None
*/
void LED_Close_All(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, LED6_LCD13_Pin|LED7_LCD14_Pin|LED8_LCD15_Pin|LED1_LCD8_Pin
|LED2_LCD9_Pin|LED3_LCD10_Pin|LED4_LCD11_Pin|LED5_LCD12_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
主函数中对BootLoader程序进行调用
修改BootLoader程序烧录地址及内存空间大小
四、Application1 用户程序
application1.h
#ifndef __APPLICATION_H
#define __APPLICATION_H
#include "main.h"
#define APP1_VECT_ADDR_OFFSET 0x2800
void App1_Code(void);
#endif
application1.c
#include "application1.h"
/**
* @brief App1应用程序
* @param None
* @retval None
*/
void App1_Code(void)
{
//设置中断向量偏移表
SCB->VTOR = FLASH_BASE | APP1_VECT_ADDR_OFFSET;
//使能全局中断--不使能会出现异常
__enable_irq();
//APP1中的业务代码程序
printf("--------- Welcome to Application 1 --------\r\n");
LCD_Init();
LCD_SetBackColor(Black);
LCD_SetTextColor(White);
LCD_Clear(Black);
HAL_Delay(200);
LCD_DisplayStringLine(Line4, (unsigned char *)" Application 1 ");
}
主函数中对App1程序进行调用
修改App1程序烧录地址及内存空间大小
五、Application2 用户程序
application2.h
#ifndef __APPLICATION_H
#define __APPLICATION_H
#include "main.h"
#define APP2_VECT_ADDR_OFFSET 0x7800
void App2_Code(void);
#endif
application2.c
#include "application2.h"
/**
* @brief App2应用程序
* @param None
* @retval None
*/
void App2_Code(void)
{
//设置中断向量偏移表
SCB->VTOR = FLASH_BASE | APP2_VECT_ADDR_OFFSET;
//使能全局中断--不使能会出现异常
__enable_irq();
//APP2中的业务代码程序
printf("--------- Welcome to Application 2 --------\r\n");
LCD_Init();
LCD_SetBackColor(Black);
LCD_SetTextColor(White);
LCD_Clear(Black);
HAL_Delay(200);
LCD_DisplayStringLine(Line4, (unsigned char *)" Application 2 ");
}
主函数中对App2程序进行调用
修改App2程序烧录地址及内存空间大小
六、程序运行效果
开发板实物演示图，按下KEY1按键，启动APP1；按下KEY2按键，启动APP2。
上位机串口输出数据演示图
七、工程文件Demo
本文关于BootLoader讲解演示的3个工程文件可查阅下面的链接访问，文件已上传至CSDN平台的文件资源仓库。
【免费】嵌入式MCUBootLoader开发配置工程Demo资源-CSDN文库
![Ceph [OSDI‘06]论文阅读笔记](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/b15384f67a1243e29d76e63ac627afff.png#pic_center)
