4. 链接脚本与内存布局

链接脚本（Linker Script）是 Bootloader 开发中连接编译器输出与硬件物理内存的桥梁。它决定了代码段、数据段、BSS 段在 Flash 和 RAM 中的最终位置，并直接影响启动流程中栈与堆的初始化。本章从语法入手，逐步深入到布局设计与初始化实现。

4.1 链接脚本（.lds）语法基础

GNU LD 链接器使用 .lds 文件描述输入段的合并规则与输出段的地址映射。一个典型的链接脚本包含以下核心元素：

以下是一个面向 ARM Cortex-M 的 Bootloader 最小链接脚本框架：

ENTRY(Reset_Handler)

MEMORY
{
    FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 32K
    RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 8K
}

SECTIONS
{
    .isr_vector :
    {
        KEEP(*(.isr_vector))
    } > FLASH

    .text :
    {
        *(.text*)
        *(.rodata*)
    } > FLASH

    .data : ALIGN(4)
    {
        _sdata = .;
        *(.data*)
        _edata = .;
    } > RAM AT> FLASH

    .bss : ALIGN(4)
    {
        _sbss = .;
        *(.bss*)
        *(COMMON)
        _ebss = .;
    } > RAM

    PROVIDE(_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM));
    PROVIDE(_heap_start = _ebss);
    PROVIDE(_heap_end = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - 1K);
}

4.2 代码段、数据段与 BSS 段布局

Bootloader 的运行时内存布局必须精确匹配链接脚本的描述。三个关键段各有不同的生命周期和存放位置：

• .text（代码段 + 只读数据）：包含可执行指令和常量。存放在 Flash 中，CPU 通过指令总线直接读取。Bootloader 的启动代码、Flash 驱动、通信协议栈均在此段。
• .data（已初始化数据段）：包含全局变量和静态变量的初始值。运行时位于 RAM，但初始值存储在 Flash 中。启动代码必须将初始值从 Flash 复制到 RAM 中对应的地址。
• .bss（未初始化数据段）：包含全局变量和静态变量（默认值为 0）。运行时位于 RAM，启动代码必须将其清零。

下图展示了 Bootloader 在 Flash 和 RAM 中的典型布局关系：

4.3 栈与堆的初始化设置

栈（Stack）和堆（Heap）是 Bootloader 运行时的两个关键内存区域。栈用于函数调用、局部变量和中断嵌套；堆用于动态内存分配（如通信缓冲区）。它们的初始化必须在进入 main() 之前完成。

4.3.1 栈指针（SP）初始化

ARM Cortex-M 系列处理器在复位后会自动从 Flash 起始地址（0x00000000 或 0x08000000）加载栈指针。链接脚本中通过 PROVIDE(_estack = ...) 定义栈顶地址，并由汇编启动代码写入 MSP（主栈指针）：

; 汇编启动代码片段（reset_handler）
ldr   r0, =_estack      ; 加载栈顶地址
msr   msp, r0           ; 写入主栈指针
bl    main              ; 跳转到 C 主函数

4.3.2 堆初始化与符号导出

堆的起始地址通常紧接在 .bss 段之后。链接脚本中通过 _heap_start = _ebss 和 _heap_end 定义堆边界。C 运行时库（如 newlib）依赖这些符号来管理 malloc/free：

/* 在 C 启动代码中声明外部符号 */
extern uint32_t _estack;
extern uint32_t _heap_start;
extern uint32_t _heap_end;

/* 堆初始化函数（供 _sbrk 使用） */
caddr_t _sbrk(int incr)
{
    static uint32_t *heap_ptr = NULL;
    uint32_t *prev_heap_ptr;

    if (heap_ptr == NULL)
        heap_ptr = (uint32_t *)&_heap_start;

    prev_heap_ptr = heap_ptr;
    heap_ptr += incr;

    if (heap_ptr > (uint32_t *)&_heap_end)
        return (caddr_t)-1;  /* 堆溢出 */

    return (caddr_t)prev_heap_ptr;
}

4.3.3 栈与堆的冲突避免

栈向下增长，堆向上增长。两者在 RAM 中相向而行，必须预留安全间隙。下表总结了典型配置策略：

下图展示了栈与堆在 RAM 中的相向增长关系及安全保护区的位置：

4.4 启动代码中的段初始化流程

Bootloader 的启动代码（Reset_Handler）必须按以下顺序完成内存初始化，才能安全进入 C 环境：

1. 加载栈指针：从链接符号 _estack 加载并写入 MSP。
2. 复制 .data 段：从 Flash（LMA）复制到 RAM（VMA），长度由 _edata - _sdata 计算。
3. 清零 .bss 段：将 _sbss 到 _ebss 之间的内存全部写 0。
4. 初始化堆：设置 _sbrk 的堆基址（如果使用动态内存）。
5. 调用 main()：此时全局变量已就绪，栈指针正确，可以执行 C 代码。