00-bootloader前置知识

微机原理

堆栈指针SP(Stack Pointer)

“大家想象一下，单片机在运行代码，就像是你在读一本极厚的小说（这本小说就是 Flash 存储器）。
你的眼睛不可能一次性看完一整页，你必须一行一行地读。为了防止读串行，你会用一根食指指着当前正在读的那一行字。读完一行，手指就往下挪一行。
这根用来指路的食指，就是 PC（程序计数器）！
PC 里面存的永远是一个地址，也就是告诉你：‘CPU 老大，下一句该执行哪一行代码了？’
如果突然来了一个电话（中断），你该怎么办？你会把这根手指当前指的位置，写在一张纸条上（保存现场），然后跑去接电话。接完电话回来，看一眼纸条，手指重新指回刚才那行，继续往下读！如果你强行把这根手指掰到一个全是乱码的空白页（比如指到了 0x00000000），你就会瞬间懵逼死机，这就是 HardFault！”

总结：PC寄存器的值就是下一条要执行的代码的位置，非常重要！！

程序计数器PC(Program Counter)

“看书的时候，你偶尔会遇到几道数学题（调用函数）。你要做题，就必须拿出一个草稿本（这就是 SRAM 内存）。
在草稿本上演算时，你会依次写下临时变量（局部变量）：a=1, b=2。
为了知道草稿本现在写到哪一行了，免得新写的数据覆盖掉老数据，你会用一支红笔，在最后一行数据的下方画一条横线。
这条划定草稿本边界的红线，就是 SP（堆栈指针）！
每次你进入一个新的函数，定义了新的局部变量，SP 这条红线就会往下挪（压栈，开辟新空间）。每次你算完一道题，退出函数了，那些草稿数据就没用了，SP 这条红线就会瞬间收回上去（弹栈，回收空间）。
为什么咱们在 Bootloader 里把 SP 切飞了就会死机？因为 CPU 正准备去找草稿本上的变量 a 呢，你突然把它的草稿本给抢走，换成了一本全新的空白日记本！它找不到数据，当场就崩溃了！”

总结：SP寄存器的值指向当前的堆栈的位置，只有知道它，CPU才知道要把数据放到哪

问题1

问：内存(sram)那么大，随便找个地方放不行吗，非要放栈里吗？
答：是为了充分利用内存，比如有些函数运行完后不能让他们一直占着内存，需要释放掉，但是怎么知道那些需要被释放呢，所以使用栈这种后进先出的结构，后运行的函数最先释放掉其占用的内存。

问题2

问：栈是什么东西啊，在单片机的哪啊？
答：栈就是单片机上的一个内存(sram)区域，只不过独为cpu钟爱，将其称为栈。

问题3

问：平时用不到啊，根本没有接触过，在哪能看到它呢？
答：栈和堆会在启动文件里给你配置好：

在这可以设置大小

keil调试基础

调试时务必使用-O0优化
圈点的地方务必认真看，每个都会用到

keil菜单讲解

程序下载位置设置

二进制文件获取

flash擦除

编译优化

-O0：零优化（刚入职的实习生）

• 它的行为：绝对听话，极其死板。你 C 语言怎么写，它就一行一行怎么翻译成汇编。你定义了一个变量，它就老老实实去内存（栈）里开辟空间，哪怕这个变量只用了一次。
• 优点：调试的绝对王者。因为代码是 1:1 翻译的，你在打断点、单步调试、查看局部变量时，一切都完美对应，绝不会出现“变量被优化掉”或者“断点乱跳”的情况。
• 缺点：生成的 Bin 文件极其巨大，运行速度最慢。
• 适用场景：日常开发和 Debug 阶段。

-O1：基本优化（熟练的产线工人）

• 它的行为：开始动脑子了。它会把一些明显的废话（永远执行不到的死代码）删掉；更重要的是，它开始大量使用 CPU 的寄存器来保存局部变量，而不是每次都慢吞吞地去读写内存（栈）。
• 优点：代码体积开始缩小，运行速度明显提升。同时，它保留了基本的调试能力。
• 缺点：比上不足，比下有余。
• 适用场景：既想代码跑得快一点，又需要偶尔 Debug 的中间状态。

-O2：标准高级优化（车间主任）—— 工业界的最爱

• 它的行为：编译器彻底放飞自我。它会进行指令重排（打乱你写代码的顺序，以迎合 CPU 的流水线）、常量折叠（把你写的 3 * 24 * 60 编译时直接算成 4320 填进去）。只要它觉得怎么执行快，它就怎么改你的逻辑（但保证最终结果一样）。
• 优点：运行速度极快，同时体积控制得也不错。
• 缺点：Debug 的噩梦。如果你在 O2 下单步调试，你会发现断点在代码行之间上下横跳，局部变量全部显示 <optimized out>（被优化掉了，没放进内存）。
• 适用场景：产品 Release（发布）时的默认标准。

-O3：性能狂魔（疯狂的科学家）

• 它的行为：为了极致的运行速度，可以牺牲一切（包括代码体积）。它会干两件疯狂的事：
  1. 函数内联（Inlining）：把你写的小函数，直接像宏定义一样复制粘贴到调用的地方，省去了函数调用的跳转开销，但代码体积会膨胀。
  2. 循环展开（Loop Unrolling）：把你写的 for(i=0; i<4; i++) { do_something(); }，直接强行展开成 4 句 do_something();，省去了 i++ 和条件判断的时间。
• 优点：单片机能跑出的最高执行速度。
• 缺点：Bin 文件体积显著膨胀（空间换时间）。
• 适用场景：需要跑极其复杂的算法（如电机 FOC 控制、DSP 音频处理、FFT 运算）的专属核心代码段。

-Ofast：法外狂徒（不要命的赛车手）

• 它的行为：在 -O3 的基础上，打破 C 语言和 IEEE 国际标准。特别是针对浮点数（float/double）运算，它会为了速度忽略所有安全检查（比如不管非法的 NaN 和无限大 Inf，强行改变数学运算的结合律）。
• 优点：浮点数数学运算快到起飞。
• 缺点：极度危险。如果你的数学公式里有可能出现除以 0 或者溢出，程序会跑出诡异的结果。
• 适用场景：纯粹的数字信号处理，且你 100% 确保输入数据是合法的。

🌟 终极省空间绝招：大小之争

对于我们写 Bootloader 来说，速度根本不重要（跳转就那几微秒），体积才是王道。这时候就要用到针对体积的优化：

-Os：空间魔术师（精打细算的管家）

• 它的行为：启用所有 -O2 级别的优化，但坚决拒绝任何会增加代码体积的优化行为（比如它绝对不会像 O3 那样去展开循环或者内联大函数）。
• 优点：在保持较高运行速度的同时，尽可能缩小 Bin 文件体积。
• 适用场景：Flash 空间比较紧张的常规 App 工程。

-Oz / -Omax：黑洞级压缩（榨干最后一滴血）

(注：-Oz 是 Keil AC6 / Clang 编译器专属的极致空间优化；-Omax 通常是 Keil GUI 里的叫法，代表开启了 LTO 跨模块优化的极限状态)

• 它的行为：为了缩小体积，可以牺牲运行速度。它会把所有长得差不多的代码段，强行提取成一个公共函数供大家调用（哪怕跳转会浪费一点时间）。它会用一切极其晦涩、短小的汇编指令来替代常规指令。
• 优点：单片机界最小的 Bin 文件，没有之一。
• 缺点：代码执行速度会变慢，且绝对无法 Debug。
• 适用场景：你的 Bootloader！ 因为 Bootloader 的专属 Flash 扇区往往只有 8KB 到 16KB，必须用 -Oz 把它压到极致

总结

优化等级	核心目标	体积 (Size)	速度 (Speed)	调试难度	一句话总结
-O0	方便调试	极大	最慢	⭐ (极易)	开发阶段的保姆
-O1	均衡过渡	中等	中等	⭐⭐	稍微聪明的保姆
-O2	全局均衡	较小	极快	⭐⭐⭐⭐	工业发布的标准
-O3	空间换时间	膨胀	神速	⭐⭐⭐⭐⭐	算法狂魔的最爱
-Os	兼顾体积	很小	较快	⭐⭐⭐⭐	Flash 告急时的救星
-Oz	时间换空间	极小	较慢	⭐⭐⭐⭐⭐ (地狱)	Bootloader 专属榨汁机

• o0:零优化,生成的 Bin 文件极其巨大，运行速度最慢,用于日常开发和 Debug 阶段。
• o1:基础优化，既想代码跑得快一点，又需要偶尔 Debug 的中间状态，不建议使用。
• o2:打乱你写代码的顺序，以迎合 CPU 的流水线、把你写的 3 * 24 * 60 编译时直接算成 4320 填进去。只要它觉得怎么执行快，它就怎么改你的逻辑,运行速度极快，同时体积控制得也不错,但是无法Debug。
• o3:为了极致的运行速度，可以牺牲一切（包括代码体积）,不能debug,不要用于Bootloader。
• ofast:在-O3的基础上，打破 C 语言和 IEEE 国际标准,运行时可能会出现错误，但是浮点数数学运算快到起飞。
• oz/omax:为了缩小体积，可以牺牲运行速度,无法Debug，但是体积小，适用于Bootloader。

启动流程

STM32 内部的大脑是 ARM Cortex-M 内核（比如 F103 是 M3）。ARM 官方给这个内核定下了一条极其死板的“出厂铁律”： 芯片每次上电复位，CPU 的眼睛只会死死盯住 0x00000000 这个地址！
它会固定做两件事：
2. 去 0x00000000 读出一个 32 位的数据，赋值给 SP（主堆栈指针）。
3. 去 0x00000004 读出一个 32 位的数据，赋值给 PC（程序计数器，也就是 Reset_Handler 复位函数的入口）。
ARM 规定必须去 0x00000000 找启动代码，但是 ST（意法半导体）在造 STM32 的时候，把用来存代码的物理 Flash 芯片，焊在了总线的 0x08000000 这个位置。这就尴尬了：CPU 非要去 0x00000000 找代码，但代码实际存在 0x08000000。怎么骗过 CPU 呢？
ST 发明了一个叫 内存重映射（Aliasing） 的机制。你可以把它想象成一面“镜子”。 当你的画板配置了从 Flash 启动时，硬件会在 0x00000000 放置一面镜子，直接反射出 0x08000000 的内容。

• CPU 以为自己在读 0x00000000，其实它读到的是 0x08000000 里的栈指针。
• CPU 以为自己在读 0x00000004，其实它读到的是 0x08000004 里的函数地址。
  这就是为什么你把代码烧录到 0x08000000，单片机却能完美启动的原因。
  为什么要弄这么复杂的“镜子”？
  ST 之所以大费周章地搞这个“镜子”，是为了让你能通过硬件引脚（BOOT0 和 BOOT1）来自由决定单片机从哪里启动！
  这面位于 0x00000000 的“镜子”，是可以随时转向的：
• 当 BOOT0 = 0 时（正常模式）： 镜子照向 0x08000000（主 Flash）。单片机上电运行你写的代码。
• 当 BOOT0 = 1, BOOT1 = 0 时（串口下载模式）： 镜子照向 0x1FFFF000（系统存储器 System Memory）。这里面固化了 ST 出厂时写死的一段 Bootloader，专门用来通过串口（ISP）接收你电脑发来的代码，并烧到 Flash 里。（这就是为什么你板子空着也能用串口烧代码的原因），也可以救被锁死的板子。
• 当 BOOT0 = 1, BOOT1 = 1 时（调试模式）： 镜子照向 0x20000000（内部 SRAM）。代码直接从内存里启动，常用于解除 Flash 读写锁或者极限速度的仿真调试。