2. 内存映射基础：ARM Cortex-M的存储器映射、Flash与RAM的地址空间划分、外设寄存器的内存映射
做Bootloader，第一件事就是搞清楚芯片的地址空间。说白了，你得知道你的代码放在哪，数据放在哪，外设寄存器又在哪里。我见过不少新手，上来就写链接脚本，结果芯片跑飞了都不知道为什么——其实就是内存映射搞错了。
ARM Cortex-M系列，从M0到M7，内存映射的骨架是统一的。嗯，这里要注意，我说的“统一”是指系统级地址分配的大框架，具体到每个芯片厂商，细节会有差异。但只要你掌握了这个框架，换芯片也就是查个手册的事。
2.1 Cortex-M的系统级存储器映射
Cortex-M使用4GB的线性地址空间（0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF）。这4GB被划分成几个固定的区域。为什么这么分？因为ARM在设计时就定好了——哪个区域放代码，哪个区域放外设，哪个区域留给系统内部用。
我个人习惯把这张表贴在工位上，写代码时随时瞄一眼：
| 地址范围 | 区域名称 | 用途 | 典型属性 |
|---|---|---|---|
| 0x00000000 - 0x1FFFFFFF | Code区 | 程序代码、异常向量表 | 可执行、可读 |
| 0x20000000 - 0x3FFFFFFF | SRAM区 | 运行时数据、堆栈 | 可读写 |
| 0x40000000 - 0x5FFFFFFF | 外设区 | 片上外设寄存器 | 可读写（需对齐） |
| 0x60000000 - 0x9FFFFFFF | 外部RAM区 | 扩展存储器（SDRAM等） | 可读写 |
| 0xA0000000 - 0xDFFFFFFF | 外部设备区 | 外部外设映射 | 可读写 |
| 0xE0000000 - 0xE00FFFFF | 系统区（私有外设） | NVIC、SysTick、MPU等 | 系统控制 |
| 0xE0100000 - 0xFFFFFFFF | 保留/厂商自定义 | 芯片厂商扩展 | 视芯片而定 |
你想想看，这个分区设计其实很聪明。Code区从0地址开始，保证了上电后CPU能直接取到复位向量。SRAM区紧挨着Code区，方便链接脚本做紧凑布局。外设区单独划出一大块，避免了和外扩存储器地址冲突。
核心要点：Bootloader的链接脚本，本质上就是在Code区和SRAM区里“切蛋糕”。你要决定：向量表放哪？主程序放哪？数据段放哪？堆栈放哪？
2.2 Flash与RAM的地址空间划分
实际芯片中，Flash和RAM的物理地址是挂载在上述系统映射中的。以我常用的STM32F4系列为例：
- Flash：起始地址0x08000000，大小从256KB到2MB不等。映射在Code区。
- SRAM：起始地址0x20000000，大小从64KB到256KB不等。映射在SRAM区。
这里有个坑——0x00000000地址。Cortex-M上电后，CPU会从0x00000000读取栈指针（MSP），从0x00000004读取复位向量。但大多数芯片的Flash并不在0地址！那怎么办？
芯片厂商用了别名映射（Alias）机制。上电时，Flash的内容被自动映射到0地址区域。也就是说，你写代码时用的是0x08000000，但CPU取向量时实际访问的是0x00000000，两者指向同一块物理存储。
我曾经踩过的坑：在做Bootloader跳转时，我直接写了跳转到0x08010000（APP起始地址）。结果芯片死活不跑。后来发现，跳转前必须把0x00000000的别名映射关掉，或者重新设置向量表偏移寄存器（VTOR）。否则CPU以为向量表还在0地址，而那里还是Bootloader的向量表。
Flash和RAM的典型划分，我用一张图来展示：
从这张图你能看到，Flash里放了Bootloader、APP主程序、升级区和参数区。SRAM里放了.data、.bss、堆和栈。Bootloader和APP虽然代码段在Flash里是分开的，但运行时都共用同一片SRAM。
我的建议：在链接脚本里，给Bootloader和APP分别定义SRAM的使用范围。比如Bootloader只用0x20000000 ~ 0x20003FFF（16KB），APP用0x20004000 ~ 0x2001FFFF。这样即使Bootloader跑飞了，也不会踩到APP的数据。
2.3 外设寄存器的内存映射
外设寄存器，说白了就是一堆特殊的内存地址。你往这些地址写数据，就能控制GPIO、UART、定时器等硬件。Cortex-M把外设寄存器统一放在0x40000000 ~ 0x5FFFFFFF这个区域。
每个芯片厂商会在这个区域内继续细分。以STM32F4为例：
- GPIOA：基地址 0x40020000
- USART1：基地址 0x40011000
- SPI1：基地址 0x40013000
- TIM2：基地址 0x40000000
每个外设内部，寄存器按偏移量排列。比如GPIOA的MODER寄存器在偏移0x00，ODR在偏移0x14。你写代码时，通常会用结构体指针来访问：
// 定义GPIO寄存器结构体
typedef struct {
volatile uint32_t MODER; // 0x00
volatile uint32_t OTYPER; // 0x04
volatile uint32_t OSPEEDR; // 0x08
volatile uint32_t PUPDR; // 0x0C
volatile uint32_t IDR; // 0x10
volatile uint32_t ODR; // 0x14
// ... 省略其他寄存器
} GPIO_TypeDef;
// 将GPIOA基地址强制转换为结构体指针
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)0x40020000)
// 使用：设置PA5为输出模式
GPIOA->MODER |= (1 << 10); // MODER[10:9] = 01这里有个关键点——volatile关键字。我刚开始做嵌入式时，就因为忘了加volatile，编译器优化掉了寄存器读写，导致外设死活不工作。加了volatile，就是告诉编译器：这个地址的值随时可能被硬件改变，你别给我优化掉。
我曾经犯过的错：在做Bootloader的串口驱动时，我直接用指针访问USART寄存器，但没加volatile。结果编译器把状态寄存器的读取优化成了常量，导致轮询永远超时。查了两天才发现是这个问题。从那以后，我所有外设寄存器定义都强制加volatile。
外设寄存器的访问还有对齐要求。Cortex-M要求32位寄存器必须4字节对齐访问，16位寄存器2字节对齐。如果你用未对齐的指针去访问，轻则触发异常，重则读回错误数据。
嗯，这里再补充一点。外设寄存器的内存映射是固定的，不像Flash和RAM那样可以重映射。所以你在写Bootloader时，可以直接用芯片手册里的基地址，不用担心地址会变。
2.4 本章小结
内存映射是Bootloader的基石。你搞清楚了Flash放哪、RAM放哪、外设寄存器放哪，写链接脚本和启动代码时心里就有底了。我个人的经验是：每换一款芯片，第一件事就是打开它的内存映射图，把Flash和RAM的起止地址记下来，然后才开始写代码。