解密 ESP32 Bootloader｜自訂流程和跳轉邏輯全實作！

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ESP32 Bootloader（引導程序）是芯片啟動時運行的第一段代碼，負責初始化硬件、驗證韌體，並決定如何載入應用程序。
這篇文章將帶你從上電開始，一步步了解 Bootloader 的角色，並用實際專案示範如何撰寫自己的 ESP32 Bootloader，觀察從 ROM → Bootloader → App 的整個流程。
無論你是開發 OTA、開機選單、或想玩點進階功能，這篇教學都將是你理解「ESP32 啟動機制」的第一步。只需幾分鐘，你將不再只會用 ESP32 Bootloader，而是真的理解並能駕馭它。

內容

什麼是 ESP32 Bootloader？

Bootloader 是嵌入式系統啟動時執行的 低階程式，主要功能包括：

初始化 CPU、記憶體、時鐘等硬件
從 Flash 載入應用程式（App）
驗證韌體完整性（可選）
提供 OTA（空中升級） 支援

在 ESP32 中，Bootloader 通常存放在 Flash 0x1000 位置，並由 ROM Code 直接執行。

ESP32 開機流程圖

    A[Power On / Reset] --> B[Boot ROM (Factory Burned)]
    B --> C[Bootloader (Customizable)]
    C --> D[Load Application]
    D --> E[Run app_main()]

Boot ROM 是晶片內建的，負責載入 bootloader。
Bootloader 是你可以編寫和自訂的階段。
最後才會跳到 main.c 中的 app_main()。

開發環境

在開始編程之前，請確保已完成以下準備工作：

安裝 ESP-IDF 開發環境 (至少版本 v4.4 或更高)。
ESP32 開發板。

專案結構

esp32_boot_demo/
├── CMakeLists.txt
├── main
│   ├── CMakeLists.txt
│   └── main.c                 // User application
├── bootloader_components
│   └── main         
│       ├── CMakeLists.txt   
│       └── bootloader_main.c  // Custom bootloader
└── README.md

程式碼

bootloader/bootloader_main.c

#include <stdbool.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "esp_log.h"
#include "bootloader_init.h"
#include "bootloader_utility.h"
#include "bootloader_common.h"

static const char* TAG = "boot";

static int select_partition_number(bootloader_state_t *bs);

/*
 * We arrive here after the ROM bootloader finished loading this second stage bootloader from flash.
 * The hardware is mostly uninitialized, flash cache is down and the app CPU is in reset.
 * We do have a stack, so we can do the initialization in C.
 */
void __attribute__((noreturn)) call_start_cpu0(void)
{
    // 1. Hardware initialization
    if (bootloader_init() != ESP_OK) {
        bootloader_reset();
    }

#ifdef CONFIG_BOOTLOADER_SKIP_VALIDATE_IN_DEEP_SLEEP
    // If this boot is a wake up from the deep sleep then go to the short way,
    // try to load the application which worked before deep sleep.
    // It skips a lot of checks due to it was done before (while first boot).
    bootloader_utility_load_boot_image_from_deep_sleep();
    // If it is not successful try to load an application as usual.
#endif

    // 2. Select the number of boot partition
    bootloader_state_t bs = {0};
    int boot_index = select_partition_number(&bs);
    if (boot_index == INVALID_INDEX) {
        bootloader_reset();
    }

    // 2.1 Print a custom message!
    esp_rom_printf("[%s] %s\n", TAG, "Custom Bootloader Welcome Message");

    // 3. Load the app image for booting
    bootloader_utility_load_boot_image(&bs, boot_index);
}

// Select the number of boot partition
static int select_partition_number(bootloader_state_t *bs)
{
    // 1. Load partition table
    if (!bootloader_utility_load_partition_table(bs)) {
        ESP_LOGE(TAG, "load partition table error!");
        return INVALID_INDEX;
    }

    // 2. Select the number of boot partition
    return bootloader_utility_get_selected_boot_partition(bs);
}

// Return global reent struct if any newlib functions are linked to bootloader
struct _reent *__getreent(void)
{
    return _GLOBAL_REENT;
}

main/main.c

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

// Entry point of the main application.
// This is the function that runs after the bootloader hands over control.
void app_main() {
    // Print a message to indicate the app has started.
    printf("=== Hello from app_main ===\n");

    // Run an infinite loop with 1-second delay.
    // This is a common pattern in embedded systems to keep the task alive.
    while (1) {
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // Delay for 1000 ms (1 second)
    }
}

根目錄 CMakeLists.txt

# esp32_boot_demo/CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)

include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
project(esp32_boot_demo)

main/CMakeLists.txt

idf_component_register(
    SRCS "main.c"
    INCLUDE_DIRS "."
)

bootloader/CMakeLists.txt

idf_component_register(SRCS "bootloader_main.c"
                    REQUIRES bootloader bootloader_support)

idf_build_get_property(target IDF_TARGET)
# Use the linker script files from the actual bootloader
set(scripts "${IDF_PATH}/components/bootloader/subproject/main/ld/${target}/bootloader.ld"
            "${IDF_PATH}/components/bootloader/subproject/main/ld/${target}/bootloader.rom.ld")

target_linker_script(${COMPONENT_LIB} INTERFACE "${scripts}")

程式碼解說

bootloader_init()
初始化硬體基礎設施。
bootloader_utility_load_boot_image_from_deep_sleep()
用於深度睡眠喚醒時的快速啟動，跳過驗證步驟以加速啟動。
select_partition_number()
解析分區表並決定要啟動哪個分區（例如 factory 或 ota_0）。
bootloader_utility_load_boot_image()
最終載入應用程式映像檔，並跳轉到其入口地址（通常是 0x10000）。

編譯和燒錄

完成程式碼後，您可以使用 ESP-IDF 提供的命令進行編譯、燒錄和監控。

在 VS Code 的左下角 ESP-IDF 工具列：

點選 Build project
點選 Flash device
點選 Monitor device

你就會看到：

[boot] Custom Bootloader Welcome Message=== Hello from app_main ===

結論

透過這篇實作，我們完整走了一遍 ESP32 Bootloader 的啟動流程。從上電、進入 Bootloader、初始化，再跳轉到真正的應用程式。
你不只是看懂 ESP32 bootloader 在做什麼，更親手實作了自己的流程與跳轉邏輯。這樣的能力，在 OTA 更新、安全驗證、甚至多系統開機選單設計中，都非常實用。
了解 ESP32 bootloader，不只是進階開發者的專利，而是每個 ESP32 開發者都該具備的底層知識。

SaludPCB

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