ARM单片机OTA解析（二）

二、Bootloader加载启动App代码讲解

代码详细解析：

typedef void (*pFunction)(void);

static void DrvInit(void)
{
	RS485DrvInit();
	DelayInit();
	SystickInit();
}

#define RAM_START_ADDRESS    0x20000000
#define RAM_SIZE             0x10000

static void BootToApp(void)
{
	uint32_t stackTopAddr = *(volatile uint32_t*)APP_ADDR_IN_FLASH; 
	if (stackTopAddr > RAM_START_ADDRESS && stackTopAddr < (RAM_START_ADDRESS + RAM_SIZE)) //判断栈顶地址是否在合法范围内
	{
		__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();
}

其中这里面设计到了指针以及函数指针需要详细理解一下，不然这一段是看不懂的。

深入理解C语言内存空间、函数指针（三）（重点是函数指针）

首先就是一个函数指针：typedef void (*pFunction)(void);

先自己分析一下：

volatile uint32_t*这里表示APP_ADDR_IN_FLASH是一个int类型指针变量，但是前面又一个*是什么意思，是指针的解引用吗 去除这个地址里面存储的内容，然后将存储的地址在赋值给stackTopAddr ，volatile uint32_t*这个地方最核心的意思是告诉编译器，APP_ADDR_IN_FLASH这只是首地址，还需要往后在找三个地址，因为这个表示的是4个字节32位。

执行步骤​：

1. ​强制类型转换​：
   (volatile uint32_t*)APP_ADDR_IN_FLASH → 将常量地址 APP_ADDR_IN_FLASH 转换为 ​指向 volatile uint32_t 的指针。

   • ​**volatile**​：告知编译器该地址内容可能被外部因素（硬件、中断等）异步修改，禁用优化（如缓存值到寄存器）。

   • ​**uint32_t*​：指针类型为 ​32位无符号整数指针**，表示访问从该地址开始的 ​连续4字节内存​（因 uint32_t 占4字节）。

2. ​解引用操作​：
   *(...) → 读取指针指向的 ​4字节数据​（即 APP_ADDR_IN_FLASH 地址处的实际值），而非地址本身。

3. ​赋值​：
   将读取到的32位值存入变量 stackTopAddr。

volatile 的核心作用：强制直接内存访问。

volatile 的本质是禁用编译器优化，确保每次对变量的读写都直接操作内存，而非使用寄存器缓存副本。

• 编译器优化问题​：
  编译器默认会优化代码，比如将频繁访问的变量缓存在寄存器中（减少内存读写开销）。
  但对硬件寄存器、中断共享变量等，这种优化会导致程序无法感知外部实时变化。
• ​volatile 的解决方案**​：
  通过声明 volatile，强制编译器每次访问变量时都从内存地址重新加载值（读）或立即写入内存（写）

寄存器缓存原理​
编译器（如GCC/Clang的-O2/-O3级别优化）会将频繁访问的变量缓存在CPU寄存器中，减少内存访问次数。此时，代码实际操作的是寄存器的副本而非内存中的原始变量。
优化失效场景​
当变量被外部异步修改时（如中断、多线程、硬件寄存器），寄存器的副本不会同步更新，导致程序逻辑错误。

因此需要强制内存访问

​volatile关键字​

声明变量为volatile，强制每次访问都从内存读取/写入

• 作用原理​：禁用寄存器缓存，生成直接访问内存的指令

• ​适用场景​：中断标志位、多线程共享变量、硬件寄存器映射变量

因此在之前开发过程中遇到的按键板和显示板UART通信的时候，需要加上获取按键值的变量加上关键字volatile，这是因为这个变量是在中断中直接解析的，导致频繁的访问，编译器就会针对这个地方进行一次优化，就是上面说的“代码实际操作的是寄存器的副本而非内存中的原始变量”，因此为了保证每次都是最新的按键值，所以我们要强制内存访问。

继续解析代码：

	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）
这个地址是我们自己设定的，正常来说是从APP_ADDR_IN_FLASH 0x08000000，但是由于前面的空间我们预留给了BOOT，并且还是给了BOOT12KB的空间，因此APP的开始地址就是APP_ADDR_IN_FLASH 0x8003000。

在正常启动的时候我们首先就是获取栈顶地址，因此就是上面这段代码，读取出栈顶地址，这是ARM内核启动的流程，必须也只能按照这样执行。

得到的栈顶地址，什么是栈顶地址，就是这个工程有效使用栈空间最顶的地址，栈空间是什么空间？是运行我们函数的空间，存储全局变量什么的，掉电易失。SRAM。
栈空间（Stack）是程序运行时的重要内存区域，主要用于存储与函数调用、中断处理等相关的临时数据。

1. ​函数调用上下文​

• ​返回地址（LR）​​：子函数执行完毕后需返回父函数的位置，由链接寄存器（LR，X30）保存，调用子函数前会压入栈中。
• ​帧指针（FP）​​：指向当前函数栈帧的底部（高地址），用于界定函数栈边界，通常由X29寄存器保存，入栈后形成函数调用链。
• ​调用者寄存器​：部分需跨函数保留的寄存器（如ARMv7的R4-R11，ARM64的X19-X28）会在子函数中压栈保护，防止被覆盖。

2. ​局部变量​

• 函数内部定义的非静态局部变量​（如int a;）存储在栈帧中，生命周期仅限于函数执行期间，函数返回后自动释放。
• 示例：函数内数组、结构体等临时变量。

3. ​函数参数​

• ​超出寄存器容量的参数​：ARM调用约定中，前几个参数通过寄存器传递（如ARM64的X0-X7），超出部分会压入调用者的栈空间。
• ​可变参数函数​：如printf()的多余参数需通过栈传递。

4. ​中断/异常上下文​

• 发生中断或异常时，CPU自动将关键寄存器（PC、LR、CPSR等）​​ 压入当前模式栈（如IRQ模式栈），用于恢复现场。
• 中断服务程序（ISR）中的局部变量也占用栈空间。

5. ​临时数据与中间结果​

• 编译器生成的临时计算结果​（如复杂表达式中间值）。
• ​寄存器溢出​：当寄存器不足时，部分中间变量暂存到栈中

ARM栈空间的核心作用是支撑函数调用链与临时数据存储，具体包括：函数返回地址（LR）、帧指针（FP）、局部变量、多余参数、中断上下文及编译器临时数据。其设计遵循架构规范（如AAPCS），通过栈指针（SP）和帧指针（FP）协同管理栈帧边界。开发中需警惕栈溢出风险，尤其在资源受限的嵌入式系统中。

栈顶地址（Stack Top Address）是计算机科学中栈（Stack）这一数据结构的关键概念，指栈中最后一个被插入元素的内存地址。栈是一种后进先出（LIFO）的线性表，所有操作（插入/删除）仅在栈顶进行。

• 操作唯一性​：所有入栈（PUSH）和出栈（POP）操作均通过修改栈顶地址完成：
  • ​入栈​：栈顶地址向低地址移动 → 新元素存入新地址。
  • ​出栈​：栈顶地址向高地址移动 → 释放当前元素。
• ​核心功能​：
  • 存储函数调用的返回地址、参数、局部变量；
  • 实现递归和中断处理时的上下文保护。

接着就是验证 APP 栈顶指针合法性。

然后就是关闭中断，防止跳转过程被干扰

__set_MSP(stackTopAddr);

重设主栈指针（MSP）​
​**作用：将 APP 的初始栈顶地址保存到CPU的 SP 寄存器里面，确保 APP 从正确的栈空间启动。

获取复位处理函数地址
这一步也是CPU的基操，启动的第二个流程，第一是获取栈顶地址，第二就是复位函数地址，

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

同样的思路，我们利用这一行代码获取到复位函数的入口地址了。

但是！！！！ 警惕 警惕

现在我们只是自己知道resetHandlerAddr这个里面存储是复位函数的地址，但是编译器不知道，现在这个里面只是存储的复位函数入口地址。
并且没有初始化原因是：
值由硬件预设，非软件生成​

• Cortex-M 架构规定，应用程序的复位函数地址 ​由编译器链接时确定，并固定在 Flash 的向量表偏移 4 字节处（即 APP_ADDR_IN_FLASH + 4）。
• 该地址是只读的硬件预设值，​非运行时动态生成，因此无需软件初始化。

我们需要做的就是让编译器知道这个入口地址是函数的地址，
而复位函数的类型是 void ()(void);
因此我们前面声明的函数指针就用上了。

typedef void (*pFunction)(void);

首先：

pFunction Jump_To_Application

表示的是我们定义一个函数，这个函数类型是pFunction，也就是void ()(void); 符合复位函数的类型，那么我们后续我们就可以直接使用Jump_To_Application()，

为什么能直接这样使用Jump_To_Application()？
是不是我可以理解成这样就是对函数指针的解引用，区别于变量指针的解引用。
函数指针的调用 Jump_To_Application() 是 C 语言标准允许的语法糖​（Syntactic Sugar）。它等价于显式解引用形式 (*Jump_To_Application)()，但更简洁直观。

• 函数指针类型 pFunction 必须与 Reset_Handler 的签名完全匹配​（如 void (*)(void)），否则会因参数传递或栈布局错误导致硬件异常。
• ​错误示例​：若 Reset_Handler 实际需要参数，但 pFunction 定义为无参数类型，调用时将破坏栈平衡。

但是现在还缺少一个地址，这个地址就是入口地址，前面我们获取了入口地址是resetHandlerAddr。

但是我们还是需要将这个地址给强制转换成函数类型也就是

(pFunction) resetHandlerAddr;

这样做的目的是 原本我们只是知道这是一个0x8003145,并不能说明这是一个地址，因此我们需要将他变成一个地址，但是指针又需要类型，而我们这个指针就是函数类型的，毕竟是函数入口地址，不是函数类型的指针是什么指针？ 因此就是一个强转。

最后综合起来就是这行代码

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

至此已经跳转到APP。

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