从冷上电到main()函数，Bootloader都做了什么？

在嵌入式系统中，从设备上电到执行应用程序的main()函数，Bootloader扮演着至关重要的角色。作为系统启动的首个程序，Bootloader负责初始化硬件、设置运行环境，并最终将控制权移交至应用程序。

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从冷上电到main()函数的执行，嵌入式系统的启动流程可分为以下几个阶段：

• 上电复位：微控制器在接收到电源或复位信号后，从预定义的复位向量地址开始执行代码。通常，这个地址位于Flash存储器的起始位置（如STM32的0x08000000）。
• 初始硬件设置：处理器执行存储在ROM或Flash中的代码，配置时钟系统、存储器控制器等关键硬件，确保系统稳定运行。
• Bootloader执行，Bootloader接管控制权，进一步初始化系统，可能包括：设置堆栈和堆。初始化外设。从外部存储器加载应用程序代码（若需要）。执行安全检查，如验证固件数字签名。跳转到应用程序的入口点。
• 应用程序启动：启动代码完成环境设置后，调用main()函数，应用程序开始执行。对于带操作系统的系统（如嵌入式Linux），Bootloader会加载并启动操作系统内核。

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硬件初始化

上电后，微控制器首先执行硬件初始化。这通常包括：

• 时钟配置：设置系统时钟、PLL（锁相环）等，以确保处理器和外设以正确的频率运行。
• 存储器配置：初始化存储器控制器，启用RAM或外部存储器。
• 外设初始化：配置关键外设，如串口、GPIO等。

这些初始化通常在汇编语言中实现，以确保高效和精确。例如，在STM32中，系统时钟的初始化可能在SystemInit()函数中完成。

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引导模式与应用模式的抉择

许多Bootloader支持两种模式：

• 引导模式：用于固件更新或调试，通常通过特定输入（如按键、GPIO状态或串口命令）触发。
• 应用模式：默认模式，直接运行应用程序。

Bootloader会在启动时短暂等待用户输入（如按下F2、Delete键或设置特定GPIO）。若无输入，则跳转到应用程序代码。例如，U-Boot（一种常见的嵌入式Bootloader）通过串口、USB或以太网检测用户输入。

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启动代码

启动代码是Bootloader的核心部分，负责为应用程序准备运行环境。主要任务包括：

• 设置堆栈指针：为函数调用和局部变量分配堆栈空间。
• 初始化数据段：将初始化数据（.data段）从Flash复制到RAM。将未初始化数据（.bss段）清零。
• 调用main()函数：将控制权移交至应用程序。

在某些系统中，启动代码还会初始化C/C++运行时环境，如调用静态构造函数（C++）或设置标准库。

例如，STM32的启动代码通常在汇编文件中实现，如startup_stm32f4xx.s，位于STM32Cube固件包中（STM32CubeF4）。其主要功能包括：

• 定义向量表，包含初始堆栈指针和复位处理程序地址。
• 实现复位处理程序（Reset Handler），执行初始化任务并调用main()。

以下是一个简化的STM32启动代码示例（基于ARM Cortex-M）：

Reset_Handler:
    ; 设置堆栈指针
    ldr r0, =_estack
    mov sp, r0

    ; 复制.data段从Flash到RAM
    ldr r1, =_sidata
    ldr r2, =_sdata
    ldr r3, =_edata
    b LoopCopyDataInit

CopyDataInit:
    ldr r4, [r1], #4
    str r4, [r2], #4

LoopCopyDataInit:
    cmp r2, r3
    bcc CopyDataInit

    ; 清零.bss段
    ldr r2, =_sbss
    ldr r3, =_ebss
    mov r4, #0
    b LoopFillZerobss

FillZerobss:
    str r4, [r2], #4

LoopFillZerobss:
    cmp r2, r3
    bcc FillZerobss

    ; 调用main函数
    bl main

    ; 如果main返回，进入无限循环
    b .

代码说明：

• 堆栈指针初始化：将堆栈指针设置为RAM末尾（_estack）。
• 复制.data段：将初始化数据从Flash（_sidata）复制到RAM（_sdata到_edata）。
• 清零.bss段：将未初始化数据段（_sbss到_ebss）设置为零。
• 调用main()：跳转到应用程序的main()函数。

Bootloader是嵌入式系统启动过程中的核心组件，负责从冷上电到main()函数的顺利过渡。

通过硬件初始化、模式选择和启动代码执行，Bootloader为应用程序提供了稳定的运行环境。

尽管不同微控制器的实现细节各异（如STM32、ARM Cortex-M等），但其核心原则保持一致。

理解Bootloader的工作原理有助于开发者设计更可靠的嵌入式系统，并为固件更新和调试提供支持。