编写APP和Bootloader实现启动功能：为什么APP不能设置VTOR？

在嵌入式系统中，实现IAP（In-Application Programming）功能通常需要两个部分：Bootloader （引导加载程序）和应用程序 （APP）。Bootloader负责启动和升级，APP是用户功能的主体。当APP的代码存放在不同于Bootloader的Flash地址时（例如0x08040000），就需要正确处理向量表偏移，否则程序无法正常运行。

很多人在初次编写APP时，会使用STM32CubeMX生成的代码，其中默认包含了设置VTOR（向量表偏移寄存器）的语句。但在有Bootloader的情况下，这个设置必须注释掉。如果不注释，简单的点灯程序可能还能跑，但一旦程序复杂（比如使用了中断、外设初始化等），就会出现死机、无法启动等问题。本文将详细解释原因，并给出正确的实现方法。

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1. 回顾：APP的编写要点

在Keil MDK中，通过修改工程的Target选项 ，可以设置APP的只读区域（RO）起始地址。例如，如果希望APP从0x08040000开始运行，就设置：

• ROM1：Start = 0x08040000，Size = 0x200000（根据Flash大小调整）

这样，编译后的代码就会从0x08040000开始存放。

但是，仅仅修改地址还不够，还必须处理向量表 。STM32CubeMX生成的代码中，system_stm32h5xx.c（或类似文件）里通常有一段代码：

c

#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif

这段代码的作用是将向量表定位到指定的基地址（FLASH_BASE通常为0x08000000）加上偏移。如果直接使用默认值（不注释），APP会将向量表设置到0x08000000 + 偏移 ，但APP的向量表实际存放在0x08040000，这就导致了向量表位置错误。中断发生后，CPU会跑到错误的地方取地址，程序必然崩溃。

因此，在APP中必须注释掉 这段代码，或者在预定义中不定义VECT_TAB_OFFSET，让VTOR保持Bootloader设置的值。

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2. 为什么简单的任务还能跑？

有些同学可能会问：我注释掉VTOR设置后，点灯程序正常；如果不注释，点灯程序也能运行，为什么？

这是因为简单的点灯程序可能没有使用中断，或者即使使用了SysTick等中断，向量表偏移错误可能导致中断响应异常，但由于程序逻辑简单，可能看不出明显问题（比如LED闪烁频率不对，或者偶尔死机）。一旦程序复杂起来，比如使用了多个外设中断、DMA、USB等，中断响应异常就会导致系统彻底崩溃。

此外，Bootloader可能已经使能了某些外设（如ICACHE），APP如果再重新初始化这些外设，也可能导致冲突。下文会详细说明。

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3. Bootloader的启动功能

Bootloader的任务之一就是启动APP。它需要模仿硬件复位后的行为：

1. 从APP的向量表首地址读取栈顶指针（第一个字），将其设置到主栈指针（MSP）。

2. 从APP的向量表第二个字读取复位处理函数地址，然后跳转过去执行。

3. 设置VTOR，将向量表基地址指向APP的起始地址，这样APP运行时发生中断，CPU就能找到正确的处理函数。

3.1 Bootloader中的跳转代码（汇编示例）

下面是一段典型的跳转代码（jump.S）：

assembly

; 函数名：start_app
; 参数：R0 = APP的向量表基地址（例如0x08040000）
start_app
    ; 设置VTOR = R0
    LDR R1, =0xE000ED08    ; VTOR寄存器地址（对于Cortex-M，VTOR地址为0xE000ED08）
    STR R0, [R1]            ; 写入VTOR

    ; 读取APP向量表的第一个字（栈顶指针），存入SP
    LDR R1, [R0]            ; R1 = *(uint32_t*)R0
    MOV SP, R1              ; 设置主栈指针

    ; 读取APP向量表的第二个字（复位地址），存入R1
    LDR R1, [R0, #4]        ; R1 = *(uint32_t*)(R0+4)

    ; 跳转到复位地址执行
    BX R1                   ; 跳转，并切换到Thumb模式（地址最低位应为1）

这段代码做了三件核心事：

• 设置VTOR：让CPU知道新的向量表在0x08040000。

• 设置栈指针：APP运行时需要自己的栈空间。

• 跳转 ：从APP的复位向量开始执行，也就是APP的Reset_Handler。

3.2 为什么APP不能再设置VTOR？

Bootloader已经通过上述代码将VTOR正确指向了APP的向量表。如果APP在初始化时又执行了SCB->VTOR = FLASH_BASE | ...，就会覆盖Bootloader的设置，将VTOR改回默认值（0x08000000）或其他值。此时，APP的向量表实际在0x08040000，但VTOR指向0x08000000，中断自然找不到正确的入口。

更严重的是，如果Bootloader和APP都使能了ICACHE（指令缓存），APP再次初始化ICACHE可能会导致死机。ICACHE的使能只能做一次，第二次初始化可能因为状态不一致而卡死。因此，Bootloader和APP只能有一个使能ICACHE。通常做法是Bootloader使能ICACHE后，APP就不再操作ICACHE相关寄存器。

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4. 实验验证

按照课程源码，进行以下实验：

• 烧写未注释VTOR的APP：单独运行APP（地址0x08040000），由于向量表错误，程序无法运行，LED不闪烁。

• 烧写Bootloader：Bootloader运行后，跳转到APP（地址0x08040000），且APP中已注释掉VTOR设置。LED闪烁，说明启动成功。

如果APP中未注释VTOR，Bootloader启动后，LED也可能闪烁？不一定。因为Bootloader设置了正确的VTOR，APP启动后立即又覆盖了VTOR，导致后续中断失效。如果APP在覆盖VTOR之前没有使用任何中断，或许能短暂运行，但一旦进入中断（如SysTick），就会死机。因此，必须注释掉。

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5. 常见疑问解答

Q：Bootloader中设置了VTOR，APP中还需要设置吗？

A：不需要。VTOR是一个全局寄存器，由Bootloader设置一次即可。APP应该信任Bootloader的设置，不要修改。

Q：如果APP有自己的中断，比如使用了USB，不设置VTOR能正确响应吗？

A：能，因为VTOR已经指向APP的向量表，中断自然能正确找到处理函数。前提是APP的向量表确实放在了该地址，且中断向量在表中正确填写。

Q：为什么Bootloader要读取APP向量表的第一字设置SP？APP自己启动时不是也会设置SP吗？

A：APP的启动代码（如Reset_Handler）在运行前，硬件已经自动从向量表加载了SP。但由于我们是通过软件跳转到APP，硬件不会自动做这件事，所以Bootloader必须手动设置SP，否则APP运行时栈指针错误，函数调用会崩溃。

Q：ICACHE的冲突具体怎么发生？

A：假设Bootloader使能了ICACHE，APP的SystemInit函数中可能又调用了SCB_EnableICache()之类的函数，这个函数内部会操作ICACHE控制寄存器，如果ICACHE已经使能，再次使能可能导致寄存器状态异常，甚至进入HardFault。因此，APP中应该避免重复使能。

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6. 总结：正确做法

1. 编写APP时：

   • 在Keil中设置正确的ROM起始地址（如0x08040000）。

   • 在system_stm32h5xx.c（或其他系统初始化文件）中，注释掉设置VTOR的代码。

   • 确保APP中不重复使能ICACHE（如果Bootloader已使能）。

2. 编写Bootloader时：

   • 编写跳转函数（如上面的汇编代码），传入APP向量表基地址。

   • 在跳转前关闭所有中断，确保跳转过程不被干扰。

   • 设置好VTOR、SP，然后跳转。

遵循这些原则，你的Bootloader就能稳定地启动任何位置的APP，且APP可以正常响应中断，实现复杂功能。