bootloaders-embedded

嵌入式引导加载程序

目的

指导 Agent 掌握嵌入式引导加载程序基础知识：向量表重定位、从引导加载程序安全跳转到应用程序、Flash 分区，以及 Cortex-M 和类似 MCU 上的基本固件更新模式（UART、USB DFU 或自定义协议）。

适用场景

• 应用程序必须从非零 Flash 偏移地址运行（例如 0x08010000）
• 不使用供应商 HAL 实现 OTA 或 USB DFU
• 调试“应用程序单独烧录时可以运行，但通过引导加载程序启动时不行”的问题
• 与 skills/baremetal/baremetal-startup 和 skills/baremetal/stm32-baremetal 集成

工作流

1. 内存布局（典型 STM32）

区域	地址	大小	内容
引导加载程序	0x08000000	16–64 KB	BL 代码、更新逻辑
应用程序	0x08010000	剩余空间	应用程序向量表和代码

应用程序的链接脚本必须将 FLASH ORIGIN 设为应用程序基地址；向量表必须位于应用程序基地址。

2. 有效应用程序映像检查

跳转前，验证：

App vector[0] (initial SP) points into RAM region
App vector[1] (Reset) points into flash region and has Thumb bit set (LSB=1)
Optional: CRC or magic word in app metadata section

#define APP_BASE  0x08010000U

static int app_valid(uint32_t base)
{
    uint32_t sp = *(uint32_t *)base;
    uint32_t reset = *(uint32_t *)(base + 4);
    if (sp < SRAM_BASE || sp > SRAM_END)
        return 0;
    if ((reset & 1U) == 0U)
        return 0;
    if (reset < base || reset > FLASH_END)
        return 0;
    return 1;
}

3. Cortex-M 跳转序列

typedef void (*app_entry_t)(void);

void jump_to_app(uint32_t app_base)
{
    uint32_t sp    = *(uint32_t *)app_base;
    uint32_t reset = *(uint32_t *)(app_base + 4);

    /* Disable interrupts and de-init peripherals/boot-owned hardware */
    __disable_irq();
    SysTick->CTRL = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        NVIC->ICER[i] = 0xFFFFFFFFU;
        NVIC->ICPR[i] = 0xFFFFFFFFU;
    }

    SCB->VTOR = app_base;
    __set_MSP(sp);
    __DSB();
    __ISB();

    app_entry_t entry = (app_entry_t)reset;
    entry(); /* does not return */
}

如果启动代码假定向量表可重定位，应用程序必须在 Reset_Handler 早期设置 SCB->VTOR = APP_BASE。

4. 引导加载程序职责

Power-on
├── Init minimal clock + UART/USB for update
├── Check update flag in RTC backup / GPIO strap
├── If update requested → receive image, verify, program flash
└── Else if valid app → jump_to_app()
    └── Else stay in bootloader shell

5. STM32 系统存储器 DFU（工厂 ROM）

STM32 芯片在 BOOT0=1 时，会在系统存储器中提供 USB DFU。自定义引导加载程序是独立的，不要将 ROM DFU 与用户 Flash 中的 BL 混淆。

6. 更新安全性

• 写入暂存扇区，验证 CRC，然后交换元数据指针（A/B）
• 绝不要在没有恢复路径的情况下擦除唯一有效映像
• 仅在验证提交后复位看门狗

7. Agent 用法

/bootloaders-embedded Write STM32F4 jump-to-app at 0x08010000 with VTOR setup

常见问题

症状	原因	修复方法
跳转后出现 HardFault	SP 无效或缺少 Thumb 位	验证向量；确保 reset | 1
IRQ 命中引导加载程序处理程序	VTOR 未重定位	在启用 IRQ 前设置 SCB->VTOR
应用程序单独运行正常，通过 BL 启动失败	链接地址仍为 0x08000000	使用正确的 ORIGIN 重新链接应用程序
跳转后 UART 输出乱码	BL 未停止 UART	取消初始化或复位外设
OTA 后设备变砖	擦除过程中断电	使用双分区或元数据回滚

相关技能

• skills/baremetal/baremetal-startup — 向量表和 Reset_Handler
• skills/baremetal/stm32-baremetal — Flash 映射和 CMSIS
• skills/baremetal/interrupts-and-exceptions-baremetal — NVIC 禁用模式
• skills/embedded/linker-scripts — 分离映像的 VMA/LMA
• skills/embedded/openocd-jtag — 恢复变砖的 Flash