📚 课程目录第1章 Bootloader基础架构搭建

1. Bootloader基础架构搭建

任务目标

本案例实现一个最小Bootloader，运行于STM32F103系列MCU（以STM32F103C8T6为例），完成以下核心功能：

系统上电后初始化必要外设（LED指示Bootloader运行状态）；
检查应用程序起始地址（0x08004000）处是否包含有效栈指针与中断向量；
若应用有效，则跳转至应用程序并执行；若无效，则停留在Bootloader并周期性闪烁LED。

环境与依赖

硬件：STM32F103C8T6最小系统板，板载LED接PC13（低电平点亮）
工具链：arm-none-eabi-gcc + Makefile，或STM32CubeIDE
标准外设库：STM32F1xx标准外设库（或直接操作寄存器，本实现使用寄存器方式以保持最小依赖）

实现原理

Bootloader与应用程序分别链接到不同的Flash地址。Bootloader位于0x08000000，应用程序位于0x08004000（偏移16KB）。跳转前需完成：

确认应用首字（初始栈指针MSP）位于RAM地址范围（0x20000000~0x20010000）；
确认应用第二字（复位向量）位于Flash应用区域（0x08004000~0x0800FFFF）；
关闭全局中断，将MSP设置为应用首字，然后通过函数指针跳转到复位向量。

关键完整代码

/* main.c - Bootloader for STM32F103C8T6 */
#include "stm32f10x.h"

#define APP_BASE_ADDR   0x08004000UL
#define APP_MSP_ADDR    (*(volatile uint32_t *)APP_BASE_ADDR)
#define APP_RESET_ADDR  (*(volatile uint32_t *)(APP_BASE_ADDR + 4))
#define SRAM_BASE       0x20000000UL
#define SRAM_END        0x20010000UL
#define FLASH_END       0x08010000UL

void delay_ms(volatile uint32_t ms) {
    for (volatile uint32_t i = 0; i < ms * 4000; i++) { __NOP(); }
}

void led_init(void) {
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;   /* 使能GPIOC时钟 */
    GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);           /* PC13清配置 */
    GPIOC->CRH |= (0x2 << 20);            /* PC13推挽输出50MHz */
    GPIOC->BRR = GPIO_BRR_BR13;           /* 初始点亮LED */
}

void led_blink(int times) {
    for (int i = 0; i < times; i++) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;     /* 灭 */
        delay_ms(200);
        GPIOC->BRR = GPIO_BRR_BR13;       /* 亮 */
        delay_ms(200);
    }
}

int is_app_valid(void) {
    uint32_t msp = APP_MSP_ADDR;
    uint32_t rst = APP_RESET_ADDR;
    /* 栈指针必须在SRAM范围内 */
    if (msp < SRAM_BASE || msp >= SRAM_END) return 0;
    /* 复位向量必须在Flash应用区域内 */
    if (rst < APP_BASE_ADDR || rst >= FLASH_END) return 0;
    return 1;
}

typedef void (*pFunction)(void);

void jump_to_app(void) {
    uint32_t msp = APP_MSP_ADDR;
    pFunction jump = (pFunction)APP_RESET_ADDR;

    __disable_irq();                      /* 关闭全局中断 */
    SCB->VTOR = APP_BASE_ADDR;            /* 重定位中断向量表 */

    __set_MSP(msp);                       /* 设置应用栈指针 */
    jump();                               /* 跳转至应用复位向量 */
}

int main(void) {
    led_init();
    led_blink(2);                         /* Bootloader启动指示：闪2次 */

    if (is_app_valid()) {
        led_blink(1);                     /* 检测到有效应用：闪1次后跳转 */
        jump_to_app();
    }

    /* 应用无效：无限循环，LED持续闪烁 */
    while (1) {
        led_blink(3);
    }
}

链接配置说明

Bootloader与应用程序需使用不同的链接脚本。Bootloader链接脚本的FLASH起始地址为0x08000000，长度为0x4000（16KB）。应用程序链接脚本的FLASH起始地址为0x08004000，长度为0xC000（48KB）。应用程序编译时需在系统启动文件（如startup_stm32f103xb.s）中定义VECT_TAB_OFFSET=0x4000，或在system_stm32f10x.c中设置VECT_TAB_OFFSET宏，确保应用程序的中断向量表重定位到0x08004000。

构建与烧录

# Bootloader编译（以Makefile为例）
make clean && make

# 烧录Bootloader至0x08000000
st-flash write bootloader.bin 0x08000000

# 烧录应用程序至0x08004000
st-flash write app.bin 0x08004000

验证方法

场景	操作	预期现象	判定标准
仅烧录Bootloader	只烧录bootloader.bin，复位	LED持续循环闪烁（亮200ms灭200ms，每组3次）	Bootloader正确运行且检测到应用无效
Bootloader+有效应用	先烧bootloader.bin，再烧app.bin，复位	LED先闪2次（Bootloader启动），再闪1次（检测到有效应用），随后应用代码接管（应用自身LED行为）	跳转成功，应用正常运行
应用校验失败	向0x08004000写入全0xFF	LED持续循环闪烁	无效应用被正确拒绝，未发生异常跳转

通过串口调试助手观察：若在jump_to_app()前添加UART打印（本最小实现未包含），可输出"Jump to app..."确认执行路径。当前实现以LED闪烁次数作为可视判定依据。

常见问题

跳转后进入HardFault：检查应用是否已设置VECT_TAB_OFFSET=0x4000；确认应用链接脚本FLASH起始地址正确。
LED不亮：确认PC13接线（部分开发板LED为高电平点亮，需反转逻辑）。
应用无法被识别：确认应用bin文件确实烧录至0x08004000，且首字为有效栈指针（不应为0xFFFFFFFF）。