-第二个BootLoader)
这篇文章将带你写第二个BootLoader程序，对应的是以下那篇博文的第二种启动方式：APP原本设计在Flash中运行，但实际执行时会先将自身代码复制到RAM，然后在RAM中运行。
带你搞懂BootLoader（一）
引言
那么是谁将APP程序从Flash复制到内存呢？又复制到哪里呢？
APP程序从Flash复制到内存可以由BootLoader复制也可以由APP自我复制
关于复制到哪里
先通过分析APP程序的反汇编文件来引入几个概念
int mymain() { char c = 'A'; while (1) { putchar(c++); delay(1000000); if (c == 'Z') c = 'A'; } return 0; }这里APP程序为了它的反汇编文件代码更精简，我将它的main函数修改成了mymain函数，去掉系统自带的其他代码
这里要引入一个概念：BL是相对跳转指令
相对跳转是什么意思呢？
相对跳转是指跳转目标地址是相对于当前程序计数器（PC）的位置来计算的。具体来说，BL指令执行时，处理器会计算当前PC值与偏移量（OFFSET）的和，得到目标地址。计算公式为：当前PC = 当前PC + OFFSET。
举个例子： 假设当前PC值为0x1000，偏移量OFFSET为0x200，那么执行BL指令后，程序将跳转到0x1200地址处执行。
拿上面这个图来说，处理器执行putchar函数怎么去跳转到它的地址呢？就是根据当前PC值加上一个偏移值跳转到putchar函数的地址，那么如果使用的是函数指针呢？如下图
如果使用的是函数指针来调用putchar函数，使用的就是绝对跳转，再来看看它的反汇编文件：
首先，PC（程序计数器）将0x20000034地址处的值0x2000003d加载到寄存器r5中，然后跳转到r5的地址来执行putchar函数，加载的地址值0x2000003d的最低位是1，这是ARM架构中Thumb指令集的标志位，去掉最低位1后，实际地址是0x2000003c，这个0x2000003c就是putchar函数的真实入口地址。
这种跳转方式属于绝对跳转，与相对跳转不同，绝对跳转直接指定目标地址，在ARM架构中，函数指针调用通常采用这种绝对跳转方式。
这个mymain函数能够调用putchar函数的前提是，在内存地址0x2000003c处必须存在有效的机器码指令。这里涉及到几个关键的技术细节：
当APP程序的链接地址被指定在RAM区域
0x20000000时，这意味着编译器生成的机器码是按照这个基地址进行地址计算的。所有函数调用和变量访问的地址都是基于这个基地址的偏移量。
如果程序没有被实际加载到
0x20000000开始的RAM区域，那么通过函数指针进行的绝对地址跳转（如跳转到0x2000003c）就会失败。该地址必须包含有效的
putchar函数机器码，否则CPU会尝试执行无效指令，导致系统崩溃。如果没有正确复制程序：
函数指针跳转会访问到随机数据或全0区域
可能触发硬件异常（如HardFault）
在Cortex-M架构中会导致进入异常处理程序
可以通过调试器检查
0x2000003c地址内容：
验证内存保护单元(MPU)设置是否允许访问该区域
检查程序是否被完整复制到目标区域
确认该地址是否包含预期的机器码
实验
现在来做一个实验，如果APP程序不复制到指定的链接地址来运行程序，而是烧写bin文件在Flash上就地运行，会发生什么事呢？
现在我修改一下APP程序的链接参数，将它的只读地址(ro)和读写地址(rw)都定位到RAM区域
APP程序就要将它的ro段复制到0x20000000地址，rw段复制到0x20000800地址
第二个Bootloader程序就是APP程序从Flash自我复制到RAM区域
但是一般程序都不会允许代码段(ro)和数据段(rw)中间会有这么大的空内存空间，所以就要用散列文件来指定代码段和数据段的链接地址
所以这里写一个散列文件来指定APP程序的链接地址
; ************************************************************* ; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision *** ; ************************************************************* LR_IROM1 0x20000000 0x10000 { ; load region size_region ER_IROM1 0x20000000 0x10000 { ; load address = execution address *.o (RESET, +First) .ANY (+RO) .ANY (+XO) .ANY (+RW +ZI) } }
LR_IROM1：Load Region 名称（可自定义），通常表示“加载区域”。
0x20000000：该 Load Region 的加载地址。
0x10000：区域大小（64KB）。
ER_IROM1：Execution Region 名称（执行区域）。
0x20000000：执行地址。此处加载地址=执行地址，表示“加载后无需搬移，直接在加载地址执行”。
*.o (RESET, +First)：将所有目标文件中名为RESET的段（通常是向量表）放在执行区域最前面；
.ANY (+RO)：放置只读代码（如函数）；
.ANY (+XO)：可执行的只读数据（较少用）；
.ANY (+RW +ZI)：读写数据（初始化变量）和零初始化数据（未初始化全局变量）。
只需要理解散列文件就是将APP程序的运行地址改为我自定义指定的地址
然后在APP程序里面添加一个静态全局数组，这个数组会保存在数据段，并且使用函数指针来执行putchar函数打印数组里面的字符串
#include "uart.h" static char buf[100] = "this is a test"; void delay(int d) { while(d--); } int mymain() { char c = 'A'; int (*fp)(char c); fp = putchar; //putstr(buf); while (1) { fp(c++); //putchar(c++); delay(1000000); if (c == 'Z') c = 'A'; } return 0; }编译程序，然后先烧写Bootloader程序，让它跳转到0x08040000地址，再烧写编译APP程序生成的.bin文件到0x08040000地址，看看会发生什么
结果意料之中，串口只打印了bootloader的字符串，并没有打印APP程序里面的字符串，再看看APP程序的反汇编文件
BLX r5这行代码就是跳转putchar函数的绝对跳转指令，跳转过去之后发现指定的地址根本就没有指令来运行，所以这就导致了系统崩溃
那么注释掉函数指针的代码，程序是不是就可以正常运行了，修改程序
重新编译，烧写.bin文件，运行
结果还是只打印了bootloader程序的字符串，这是为什么呢？
bootloader程序会跳转到0x08040000地址来取APP程序的向量表中的Reset_Handler地址来执行Reset_Handler，但是Reset_Handler现在的地址是在RAM区域，APP程序并没有将程序复制过去，所以RAM区域没有可运行的指令，导致系统崩溃
所以APP程序的start.s文件需要将Reset_Handler改为0x08040009地址，系统会将这个地址赋给Reset_Handler函数来执行Reset_Handler函数的代码，这样程序就可以运行了
PRESERVE8 THUMB ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset AREA RESET, DATA, READONLY EXPORT __Vectors __Vectors DCD 0x20000000+0x10000 DCD 0x08040009 ;Reset_Handler ; Reset Handler AREA |.text|, CODE, READONLY ; Reset handler Reset_Handler PROC EXPORT Reset_Handler [WEAK] IMPORT mymain ;LDR SP, =(0x20000000+0x10000) BL mymain ENDP END这样程序就可以正常运行了
总结
我使用散列文件修改了APP程序的链接地址，如下图
那么app.bin文件就应该在指定的链接地址来运行，程序必须被复制到该地址才能正确运行，所有函数调用和变量访问都会基于这个基地址
如果使用的是函数指针来进行函数调用，使用的就是绝对跳转来跳转到函数的地址来执行函数，函数的地址都是在链接地址的范围里面，如果程序没有被复制到该地址，就无法正常运行
如果不是用函数指针来进行函数调用，C语言编译器会优先使用的就是相对跳转来执行函数，相对跳转依赖于当前指令指针的偏移量，这种使用相对跳转的程序可以放在任何地址都可以正常运行
还有如果是长距离调用，比如main函数地址是A，fun函数地址是B，如果B的地址远大于A，也是使用的绝对跳转，但这种情况几乎不太可能
链接地址就是程序运行的地址，程序不在这个地址就无法运行
第二个Bootloader程序就是将跳转到APP程序，APP程序将链接地址修改成RAM区域，再自我复制程序到RAM来运行
Bootloader程序
设置跳转到指定地址0x08040000运行APP程序
----------------------main.c----------------------- #include "uart.h" extern void start_app(unsigned int new_vector); void delay(int d) { while(d--); } int mymain() { unsigned int new_vector = 0x08040000; uart_init(); putstr("bootloader\r\n"); /* start app */ start_app(new_vector); return 0; } ------------------start.s--------------------------- PRESERVE8 THUMB ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset AREA RESET, DATA, READONLY EXPORT __Vectors __Vectors DCD 0 DCD Reset_Handler ; Reset Handler AREA |.text|, CODE, READONLY ; Reset handler Reset_Handler PROC EXPORT Reset_Handler [WEAK] IMPORT mymain LDR SP, =(0x20000000+0x10000) BL mymain ENDP start_app PROC EXPORT start_app ; set vector base address as 0x08040000 ldr r3, =0xE000ED08 str r0, [r3] ldr sp, [r0] ; read val from addr 0x08040000 ldr r1, [r0, #4] ; read val from addr 0x08040004 BX r1 ENDP END这个程序在带你搞懂BootLoader(二)-第一个BootLoader里面有讲解，这里就不多说了
APP程序
现在分析一下整体架构：
芯片上电→ CPU 从
0x08040000（Flash）读取向量表；跳转到
Reset_Handler（仍在 Flash 中执行）；调用
copy_myself将整个 App 镜像从 Flash 复制到 RAM；跳转到 RAM 中的
mymain函数执行；
第一部分：App 主逻辑
#include "uart.h" static char buf[100] = "this is app"; void copy_myself(int *from, int *to, int len) { // 从哪里到哪里, 多长 ? int i; for (i = 0; i < len/4+1; i++) { to[i] = from[i]; } } void delay(int d) { while(d--); } int mymain() { char c = 'A'; int (*fp)(char c); fp = putchar; putstr(buf); while (1) { fp(c++); putchar(c++); delay(1000000); if (c == 'Z') c = 'A'; } return 0; }static char buf[100] = "this is app";定义一个初始化的全局字符串。
关键点：这是一个RW 数据（已初始化），会被链接器放入.data段，在 Flash 中有初始值，在 RAM 中有运行副本。
当 App 被复制到 RAM 后，这个变量也会在 RAM 中存在，且值正确。
void copy_myself(int *from, int *to, int len) { int i; for (i = 0; i < len/4+1; i++) { to[i] = from[i]; } }功能：将
len字节从from（Flash）复制到to（RAM）。
App 主循环(mymain)：
打印预定义字符串；
循环打印递增字母（A→Z）；
使用函数指针
fp调用putchar，验证 RAM 中代码可正常执行函数指针；注意：此函数将在RAM 中执行，而非 Flash！
第二部分：汇编代码（自搬移启动）
PRESERVE8 THUMB ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset AREA RESET, DATA, READONLY EXPORT __Vectors __Vectors DCD 0x20000000+0x10000 DCD 0x08040009 ;Reset_Handler ; Reset Handler AREA |.text|, CODE, READONLY ; Reset handler Reset_Handler PROC EXPORT Reset_Handler [WEAK] IMPORT mymain IMPORT copy_myself IMPORT |Image$$ER_IROM1$$Length| adr r0, Reset_Handler ; r0=0x08040000 bic r0, r0, #0xff ldr r1, =__Vectors ; r1=0x20000000 ldr r2, = |Image$$ER_IROM1$$Length| ; LENGTH BL copy_myself ;LDR SP, =(0x20000000+0x10000) ;BL mymain ldr pc, =mymain ENDP END_Vectors DCD 0x20000000+0x10000 DCD 0x08040009 ;Reset_Handler
- 第 0 项（MSP）：
0x20010000→ RAM 顶部，作为栈顶；- 第 1 项（Reset_Handler）：硬编码为
0x08040009（Flash 地址）；为什么 Reset_Handler 地址写死？
因为此时 App 还在 Flash 中，必须先执行 Flash 中的Reset_Handler来完成自搬移。
搬移完成后，才会跳到 RAM 中的mymain。
EXPORT Reset_Handler [WEAK] IMPORT mymain IMPORT copy_myself IMPORT |Image$$ER_IROM1$$Length|
导出
Reset_Handler；导入 C 函数
mymain、copy_myself；关键：导入链接器生成的符号
|Image$$ER_IROM1$$Length|，表示当前镜像长度（单位：字节）。
|Image$$...$$Length|是什么？
这是 ARM 链接器自动生成的符号，表示某个执行区域（ER）的大小。
在 scatter 文件中若定义了ER_IROM1，链接器会生成：
Image$$ER_IROM1$$Base
Image$$ER_IROM1$$Limit
Image$$ER_IROM1$$Length = Limit - Base
adr r0, Reset_Handler ; r0 = 当前 PC 相对地址（即 Reset_Handler 的地址） bic r0, r0, #0xff ; 清除低 8 位，对齐到 256 字节边界目的：获取 App 在 Flash 中的起始地址（即
0x08040000）。原理：
adr r0, Reset_Handler：将Reset_Handler的地址加载到r0（例如0x08040008）；
bic r0, r0, #0xff：清除低 8 位（即& ~0xFF），得到0x08040000；为什么可行？
因为向量表必须位于 256 字节对齐地址（VTOR 要求），所以 App 起始地址低 8 位必为 0。
ldr r1, =__Vectors ; r1 = __Vectors 的链接地址（应为 0x20000000）
__Vectors在链接时被分配到 RAM 起始地址（如0x20000000），所以r1 = 0x20000000。
这就是 RAM 中的目标地址。
ldr r2, = |Image$$ER_IROM1$$Length| ; LENGTH将 App 镜像总长度（字节）加载到
r2。
BL copy_myself调用 C 函数
copy_myself(r0, r1, r2)，即：copy_myself(0x08040000, 0x20000000, image_length);整个 App（包括向量表、代码、RW 数据）从 Flash 复制到 RAM。
注意：此时 ZI 段（未初始化变量）不会被复制（因为 Flash 中无内容），但 RAM 中原本就是 0（上电清零或 Bootloader 清过），通常可接受。
ldr pc, =mymain直接将 PC 设置为
mymain的地址，跳转到 RAM 中执行。
为什么不用
BL mymain？
BL会保存返回地址到lr，但这里不需要返回；更重要的是：
mymain现在在 RAM 中，而BL mymain会跳转到Flash 中的 mymain（链接地址）
ldr pc, =mymain的妙处：
=mymain是 mymain 的链接地址（比如0x20000100）；因为我们刚把整个镜像复制到 RAM，RAM 中
0x20000100处就是 mymain 的代码；所以
ldr pc, =mymain实际跳转到RAM 中的 mymain
)
