ARM單片機OTA解析（二）

文章目錄

二、Bootloader加載啟動App代碼講解

二、Bootloader加載啟動App代碼講解

代碼詳細解析：


typedef void (*pFunction)(void);static void DrvInit(void)
{RS485DrvInit();DelayInit();SystickInit();
}#define RAM_START_ADDRESS    0x20000000
#define RAM_SIZE             0x10000static void BootToApp(void)
{uint32_t stackTopAddr = *(volatile uint32_t*)APP_ADDR_IN_FLASH; if (stackTopAddr > RAM_START_ADDRESS && stackTopAddr < (RAM_START_ADDRESS + RAM_SIZE)) //判斷棧頂地址是否在合法范圍內{__disable_irq();__set_MSP(stackTopAddr);uint32_t resetHandlerAddr = *(volatile uint32_t*) (APP_ADDR_IN_FLASH + 4);/* Jump to user application */pFunction Jump_To_Application = (pFunction) resetHandlerAddr; // int *p = (int *)0x8003145/* Initialize user application's Stack Pointer */Jump_To_Application();}NVIC_SystemReset();
}

其中這里面設計到了指針以及函數指針需要詳細理解一下，不然這一段是看不懂的。

深入理解C語言內存空間、函數指針（三）（重點是函數指針）

首先就是一個函數指針：typedef void (*pFunction)(void);

先自己分析一下：

volatile uint32_t*這里表示APP_ADDR_IN_FLASH是一個int類型指針變量，但是前面又一個*是什么意思，是指針的解引用嗎去除這個地址里面存儲的內容，然后將存儲的地址在賦值給stackTopAddr ，volatile uint32_t*這個地方最核心的意思是告訴編譯器，APP_ADDR_IN_FLASH這只是首地址，還需要往后在找三個地址，因為這個表示的是4個字節32位。

執行步驟?：

?強制類型轉換?：
(volatile uint32_t*)APP_ADDR_IN_FLASH → 將常量地址 APP_ADDR_IN_FLASH 轉換為 ?指向 volatile uint32_t 的指針。
- ?**volatile**?：告知編譯器該地址內容可能被外部因素（硬件、中斷等）異步修改，禁用優化（如緩存值到寄存器）。
- ?**uint32_t*?：指針類型為 ?32位無符號整數指針**，表示訪問從該地址開始的 ?連續4字節內存?（因 uint32_t 占4字節）。
?解引用操作?：
*(...) → 讀取指針指向的 ?4字節數據?（即 APP_ADDR_IN_FLASH 地址處的實際值），而非地址本身。
?賦值?：
將讀取到的32位值存入變量 stackTopAddr。

volatile 的核心作用：強制直接內存訪問。

volatile 的本質是禁用編譯器優化，確保每次對變量的讀寫都直接操作內存，而非使用寄存器緩存副本。

編譯器優化問題?：
編譯器默認會優化代碼，比如將頻繁訪問的變量緩存在寄存器中（減少內存讀寫開銷）。
但對硬件寄存器、中斷共享變量等，這種優化會導致程序無法感知外部實時變化。
?volatile 的解決方案**?：
通過聲明 volatile，強制編譯器每次訪問變量時都從內存地址重新加載值（讀）或立即寫入內存（寫）

寄存器緩存原理?
編譯器（如GCC/Clang的-O2/-O3級別優化）會將頻繁訪問的變量緩存在CPU寄存器中，減少內存訪問次數。此時，代碼實際操作的是寄存器的副本而非內存中的原始變量。
優化失效場景?
當變量被外部異步修改時（如中斷、多線程、硬件寄存器），寄存器的副本不會同步更新，導致程序邏輯錯誤。

?場景?	?后果?	?案例?
?硬件中斷修改變量?	主循環無法感知新值，死循環卡死	OV5640攝像頭讀取卡死在`while(a==0)`
?多線程共享變量?	線程間數據不一致，邏輯錯誤	線程A緩存舊值，線程B更新無效
?內存映射硬件操作?	讀取過時硬件狀態，驅動失效	傳感器數據寄存器讀取延遲

因此需要強制內存訪問

?volatile關鍵字?

聲明變量為volatile，強制每次訪問都從內存讀取/寫入

作用原理?：禁用寄存器緩存，生成直接訪問內存的指令
?適用場景?：中斷標志位、多線程共享變量、硬件寄存器映射變量

因此在之前開發過程中遇到的按鍵板和顯示板UART通信的時候，需要加上獲取按鍵值的變量加上關鍵字volatile，這是因為這個變量是在中斷中直接解析的，導致頻繁的訪問，編譯器就會針對這個地方進行一次優化，就是上面說的“代碼實際操作的是寄存器的副本而非內存中的原始變量”，因此為了保證每次都是最新的按鍵值，所以我們要強制內存訪問。

繼續解析代碼：

	uint32_t stackTopAddr = *(volatile uint32_t*)APP_ADDR_IN_FLASH;

?APP_ADDR_IN_FLASH**?：APP 的起始地址（即向量表基地址）
這個地址是我們自己設定的，正常來說是從APP_ADDR_IN_FLASH 0x08000000，但是由于前面的空間我們預留給了BOOT，并且還是給了BOOT12KB的空間，因此APP的開始地址就是APP_ADDR_IN_FLASH 0x8003000。

在正常啟動的時候我們首先就是獲取棧頂地址，因此就是上面這段代碼，讀取出棧頂地址，這是ARM內核啟動的流程，必須也只能按照這樣執行。

得到的棧頂地址，什么是棧頂地址，就是這個工程有效使用棧空間最頂的地址，棧空間是什么空間？是運行我們函數的空間，存儲全局變量什么的，掉電易失。SRAM。
棧空間（Stack）是程序運行時的重要內存區域，主要用于存儲與函數調用、中斷處理等相關的臨時數據。

?函數調用上下文?

?返回地址（LR）??：子函數執行完畢后需返回父函數的位置，由鏈接寄存器（LR，X30）保存，調用子函數前會壓入棧中。
?幀指針（FP）??：指向當前函數棧幀的底部（高地址），用于界定函數棧邊界，通常由X29寄存器保存，入棧后形成函數調用鏈。
?調用者寄存器?：部分需跨函數保留的寄存器（如ARMv7的R4-R11，ARM64的X19-X28）會在子函數中壓棧保護，防止被覆蓋。

?局部變量?

函數內部定義的非靜態局部變量?（如int a;）存儲在棧幀中，生命周期僅限于函數執行期間，函數返回后自動釋放。
示例：函數內數組、結構體等臨時變量。

?函數參數?

?超出寄存器容量的參數?：ARM調用約定中，前幾個參數通過寄存器傳遞（如ARM64的X0-X7），超出部分會壓入調用者的棧空間。
?可變參數函數?：如printf()的多余參數需通過棧傳遞。

?中斷/異常上下文?

發生中斷或異常時，CPU自動將關鍵寄存器（PC、LR、CPSR等）?? 壓入當前模式棧（如IRQ模式棧），用于恢復現場。
中斷服務程序（ISR）中的局部變量也占用棧空間。

?臨時數據與中間結果?

編譯器生成的臨時計算結果?（如復雜表達式中間值）。
?寄存器溢出?：當寄存器不足時，部分中間變量暫存到棧中

ARM棧空間的核心作用是支撐函數調用鏈與臨時數據存儲，具體包括：函數返回地址（LR）、幀指針（FP）、局部變量、多余參數、中斷上下文及編譯器臨時數據。其設計遵循架構規范（如AAPCS），通過棧指針（SP）和幀指針（FP）協同管理棧幀邊界。開發中需警惕棧溢出風險，尤其在資源受限的嵌入式系統中。

棧頂地址（Stack Top Address）是計算機科學中棧（Stack）這一數據結構的關鍵概念，指棧中最后一個被插入元素的內存地址。棧是一種后進先出（LIFO）的線性表，所有操作（插入/刪除）僅在棧頂進行。

操作唯一性?：所有入棧（PUSH）和出棧（POP）操作均通過修改棧頂地址完成：
- ?入棧?：棧頂地址向低地址移動 → 新元素存入新地址。
- ?出棧?：棧頂地址向高地址移動 → 釋放當前元素。
?核心功能?：
- 存儲函數調用的返回地址、參數、局部變量；
- 實現遞歸和中斷處理時的上下文保護。

接著就是驗證 APP 棧頂指針合法性。

然后就是關閉中斷，防止跳轉過程被干擾

__set_MSP(stackTopAddr);

重設主棧指針（MSP）?
?**作用：將 APP 的初始棧頂地址保存到CPU的 SP 寄存器里面，確保 APP 從正確的棧空間啟動。

獲取復位處理函數地址
這一步也是CPU的基操，啟動的第二個流程，第一是獲取棧頂地址，第二就是復位函數地址，

uint32_t resetHandlerAddr = *(volatile uint32_t*) (APP_ADDR_IN_FLASH + 4);

同樣的思路，我們利用這一行代碼獲取到復位函數的入口地址了。

但是！！！！警惕警惕

現在我們只是自己知道resetHandlerAddr這個里面存儲是復位函數的地址，但是編譯器不知道，現在這個里面只是存儲的復位函數入口地址。
并且沒有初始化原因是：
值由硬件預設，非軟件生成?

Cortex-M 架構規定，應用程序的復位函數地址 ?由編譯器鏈接時確定，并固定在 Flash 的向量表偏移 4 字節處（即 APP_ADDR_IN_FLASH + 4）。
該地址是只讀的硬件預設值，?非運行時動態生成，因此無需軟件初始化。

我們需要做的就是讓編譯器知道這個入口地址是函數的地址，
而復位函數的類型是 void ()(void);
因此我們前面聲明的函數指針就用上了。

typedef void (*pFunction)(void);

首先：

pFunction Jump_To_Application

表示的是我們定義一個函數，這個函數類型是pFunction，也就是void ()(void); 符合復位函數的類型，那么我們后續我們就可以直接使用Jump_To_Application()，

為什么能直接這樣使用Jump_To_Application()？
是不是我可以理解成這樣就是對函數指針的解引用，區別于變量指針的解引用。
函數指針的調用 Jump_To_Application() 是 C 語言標準允許的語法糖?（Syntactic Sugar）。它等價于顯式解引用形式 (*Jump_To_Application)()，但更簡潔直觀。

函數指針類型 pFunction 必須與 Reset_Handler 的簽名完全匹配?（如 void (*)(void)），否則會因參數傳遞或棧布局錯誤導致硬件異常。
?錯誤示例?：若 Reset_Handler 實際需要參數，但 pFunction 定義為無參數類型，調用時將破壞棧平衡。

但是現在還缺少一個地址，這個地址就是入口地址，前面我們獲取了入口地址是resetHandlerAddr。

但是我們還是需要將這個地址給強制轉換成函數類型也就是

(pFunction) resetHandlerAddr;

這樣做的目的是原本我們只是知道這是一個0x8003145,并不能說明這是一個地址，因此我們需要將他變成一個地址，但是指針又需要類型，而我們這個指針就是函數類型的，畢竟是函數入口地址，不是函數類型的指針是什么指針？因此就是一個強轉。

最后綜合起來就是這行代碼

		pFunction Jump_To_Application = (pFunction) resetHandlerAddr; // int *p = (int *)0x8003145/* Initialize user application's Stack Pointer */Jump_To_Application();

至此已經跳轉到APP。

文章源碼獲取方式：
如果您對本文的源碼感興趣，歡迎在評論區留下您的郵箱地址。我會在空閑時間整理相關代碼，并通過郵件發送給您。由于個人時間有限，發送可能會有一定延遲，請您耐心等待。同時，建議您在評論時注明具體的需求或問題，以便我更好地為您提供針對性的幫助。

【版權聲明】
本文為博主原創文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議。這意味著您可以自由地共享（復制、分發）和改編（修改、轉換）本文內容，但必須遵守以下條件：
署名：您必須注明原作者（即本文博主）的姓名，并提供指向原文的鏈接。
相同方式共享：如果您基于本文創作了新的內容，必須使用相同的 CC 4.0 BY-SA 協議進行發布。

感謝您的理解與支持！如果您有任何疑問或需要進一步協助，請隨時在評論區留言。