痞子衡嵌入式：在IAR開發環境下將關鍵函式重定向到RAM中執行的三種方法
大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是在IAR開發環境下將關鍵函式重定向到RAM中執行的三種方法。
嵌入式專案裡應用程式程式碼正常是放在 Flash 中執行的，但有時候也需要將程式碼中的一些函式重定向到 RAM 中去執行，這些函式包括 Flash 擦寫操作函式（假定 Flash 本身有 RWW 限制），對執行時間要求特別高的中斷響應函式或核心演算法函式（假定 RAM 中程式碼執行速度超過 Flash）等等，這些被重定向到 RAM 中執行的函式我們通常稱其為關鍵函式。
前段時間痞子衡跟一個美國同事正好在關鍵函式重定向機制方面交流了一下，那個美國同事用的是 IAR 開發環境，我們知道函式重定向一般是需要藉助 IDE 特性的（主要是其中連結器），今天痞子衡就和大家聊一聊 IAR 環境下關鍵函式重定向的幾種方法及其實現機制：
- Note： 閱讀本文前需要對 《IAR連結檔案(.icf)》、《IAR對映檔案(.map)》 這兩種檔案有所瞭解。
一、準備工作
為了便於描述後面的函式重定向方法實現，我們先做一些準備工作，選定的硬體平臺是恩智浦 MIMXRT1060-EVK，主晶片內部有1MB RAM，外掛了 8MB Flash 和 32MB SDRAM。這些儲存裝置在晶片系統中對映地址空間如下：
NOR Flash: 0x60000000 - 0x607FFFFF （8MB） ITCM RAM: 0x00000000 - 0x0001FFFF （128KB） DTCM RAM: 0x20000000 - 0x2001FFFF （128KB） OCRAM: 0x20200000 - 0x202BFFFF （768KB） SDRAM: 0x80000000 - 0x81FFFFFF （32MB）
我們隨便選擇一個測試例程：\SDK_2.9.1_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\led_blinky\iar，其中 flexspi_nor 工程是最典型的程式碼連結場景（見 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 檔案），全部的 readonly 段分配在 0x60000000 - 0x607FFFFF 空間（在 Flash 中），全部的 readwrite 段分配在 0x20000000 - 0x2001FFFF 空間（在 DTCM 中）。連結檔案精簡如下：
define memory mem with size = 4G; define region TEXT_region = mem:[from 0x60002000 to 0x607FFFFF]; define region DATA_region = mem:[from 0x20000000 to 0x2001FBFF]; define region CSTACK_region = mem:[from 0x2001FC00 to 0x2001FFFF]; define block CSTACK with alignment = 8, size = 0x400 { }; initialize by copy { readwrite, section .textrw }; do not initialize { section .noinit }; place at address mem: 0x60002000 { readonly section .intvec }; place in TEXT_region { readonly }; place in DATA_region { readwrite, zi }; place in CSTACK_region { block CSTACK };
現在我們再建立一個新原始檔 critical_code.c 用於示例關鍵函式，將這個原始檔新增進 iled_blinky.ewp 工程裡，critical_code.c 檔案中只有如下三個測試函式（它們在 main 函式裡會被呼叫）：
void critical_func1(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*1);
}
void critical_func2(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*2);
}
void critical_func3(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*3);
}
編譯連結修改後的 iled_blinky.ewp 工程，然後檢視其對映檔案（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 檔案相關的內容如下，顯然 critical_code.c 中的三個函式都會被鏈在 Flash 空間裡（均在 .text 段裡，總大小為 18bytes）。
*******************************************************************************
*** PLACEMENT SUMMARY
***
"P1": place in [from 0x6000'2000 to 0x607f'ffff] { ro };
Section Kind Address Size Object
------- ---- ------- ---- ------
"P1": 0x1f9a
.text ro code 0x6000'3da4 0x12 critical_code.o [1]
*******************************************************************************
*** MODULE SUMMARY
***
Module ro code ro data rw data
------ ------- ------- -------
D:\SDK_2.9.1_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\led_blinky\iar\flexspi_nor_debug\obj: [1]
critical_code.o 18
*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***
Entry Address Size Type Object
----- ------- ---- ---- ------
critical_func1 0x6000'3da5 0x4 Code Gb critical_code.o [1]
critical_func2 0x6000'3da9 0x6 Code Gb critical_code.o [1]
critical_func3 0x6000'3daf 0x8 Code Gb critical_code.o [1]
二、重定向到RAM中方法
我們現在要做的事就是將 critical_code.c 檔案中的函式重定向到 RAM 裡執行，原連結檔案 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 中指定的是 DTCM 來存放 readwrite 段，那我們就嘗試將關鍵函式放到 DTCM 裡（如需改到 ITCM、OCRAM、SDRAM，方法類似）。
2.1 __ramfunc 修飾函式
第一種方法是利用 __ramfunc 修飾符，這個修飾符是 IAR 連結器能特殊識別的，主要適用重定向單個關鍵函式。比如我們用它來修飾 critical_func1() 函式：
- Note: __ramfunc 僅重定向被修飾的函式體本身程式碼，而該函式中呼叫的其他函式體本身並不受影響
__ramfunc void critical_func1(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*1);
}
void critical_func2(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*2);
}
void critical_func3(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*3);
}
編譯連結修改後的 iled_blinky.ewp 工程，然後檢視其對映檔案（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 檔案相關的內容如下，此時 critical_func1() 已經被放到了 IAR 內建的 .textrw 段裡，這個段是 IAR 連結器專門用來收集重定向到 RAM 裡的函式。
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*** PLACEMENT SUMMARY
***
"P1": place in [from 0x6000'2000 to 0x607f'ffff] { ro };
"P2": place in [from 0x2000'0000 to 0x2001'fbff] { rw };
Section Kind Address Size Object
------- ---- ------- ---- ------
"P2-P3|P5", part 1 of 2: 0x10
RW 0x2000'0000 0x10 <Block>
RW-1 0x2000'0000 0x10 <Init block>
.textrw inited 0x2000'000c 0x4 critical_code.o [1] // 變化處1
"P1": 0x1faa
.text ro code 0x6000'3dac 0xe critical_code.o [1]
*******************************************************************************
*** MODULE SUMMARY
***
Module ro code ro data rw data
------ ------- ------- -------
D:\SDK_2.9.1_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\led_blinky\iar\flexspi_nor_debug\obj: [1]
critical_code.o 14 4 4 // 變化處2
*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***
Entry Address Size Type Object
----- ------- ---- ---- ------
critical_func1 0x2000'000d 0x4 Code Gb critical_code.o [1] // 變化處3
critical_func2 0x6000'3dad 0x6 Code Gb critical_code.o [1]
critical_func3 0x6000'3db3 0x8 Code Gb critical_code.o [1]
在 MODULE SUMMARY 裡，原本 critical_code.o 只佔 18bytes 的 ro code，現在變成了 14bytes ro code + 4bytes ro data + 4bytes rw data，因為原本佔 4bytes ro code 的 critical_func1() 變成了 4bytes ro data + 4bytes rw data，是的，總消耗空間增大了，因為關鍵函式程式碼體本身依然需要佔用 4bytes Flash 儲存空間。
2.2 自定義section指定函式
第二種方法是利用 #pragma location 語法，將要指定的關鍵函式放到自定義段裡。比如我們將 critical_func1() 函式放到名為 .criticalFunc 的自定義段裡：
#pragma location = ".criticalFunc"
void critical_func1(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*1);
}
void critical_func2(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*2);
}
void critical_func3(uint32_t n)
{
SysTick_DelayTicks(n*3);
}
然後在工程連結檔案 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 裡將這個自定義的 section .criticalFunc 也放進 initialize by copy 語句中：
initialize by copy { readwrite, section .textrw,
section .criticalFunc }; // 新增 .criticalFunc 段
編譯連結修改後的 iled_blinky.ewp 工程，然後檢視其對映檔案（iled_blinky.map）你會發現效果其實跟第一種方法是一模一樣的，唯一的區別就是一個用 IAR 內建的 .textrw 段名，一個是用自定義段名 .criticalFunc 而已。
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*** PLACEMENT SUMMARY
***
"P1": place in [from 0x6000'2000 to 0x607f'ffff] { ro };
"P2": place in [from 0x2000'0000 to 0x2001'fbff] { rw };
Section Kind Address Size Object
------- ---- ------- ---- ------
"P2-P3|P5", part 1 of 2: 0x10
RW 0x2000'0000 0x10 <Block>
RW-1 0x2000'0000 0x10 <Init block>
.criticalFunc inited 0x2000'000c 0x4 critical_code.o [1] // 變化處
"P1": 0x1faa
.text ro code 0x6000'3dac 0xe critical_code.o [1]
2.3 針對原始檔中全部函式
前兩種重定向方法都適用單個關鍵函式（如果是多個關鍵函式，按方法逐一新增修飾當然也行），但如果某個原始檔裡函式特別多，並且我們希望將這個原始檔裡函式全部重定向到 RAM 裡，有沒有更便捷的方法呢？當然有！
我們現在將 critical_code.c 檔案裡全部函式都重定向，只需要在工程連結檔案 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 裡做如下修改：
initialize by copy { readwrite, section .textrw,
object critical_code.o, }; // 新增 critical_code.o 全部目標
編譯連結修改後的 iled_blinky.ewp 工程，然後檢視其對映檔案（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 檔案相關的內容如下，此時 critical_func1/2/3() 都連結在 RAM 裡了，這裡比較有意思的是 critical_code.c 中的函式依舊是在 .text 段裡，不過這部分 .text 段的屬性從 RO 換到了 RW。
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*** PLACEMENT SUMMARY
***
"P2": place in [from 0x2000'0000 to 0x2001'fbff] { rw };
Section Kind Address Size Object
------- ---- ------- ---- ------
"P2-P3|P5", part 1 of 2: 0x10
RW 0x2000'0000 0x10 <Block>
RW-1 0x2000'0000 0x10 <Init block>
.text inited 0x2000'000c 0x12 critical_code.o [1] // 變化處1
*******************************************************************************
*** MODULE SUMMARY
***
Module ro code ro data rw data
------ ------- ------- -------
D:\SDK_2.9.1_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\led_blinky\iar\flexspi_nor_debug\obj: [1]
critical_code.o 18 18 // 變化處2
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*** ENTRY LIST
***
Entry Address Size Type Object
----- ------- ---- ---- ------
critical_func1 0x2000'000d 0x4 Code Gb critical_code.o [1] // 變化處3
critical_func2 0x2000'0011 0x6 Code Gb critical_code.o [1]
critical_func3 0x2000'0017 0x8 Code Gb critical_code.o [1]
三、啟動檔案中拷貝過程
三種函式重定向方法都介紹完了，不知道你是否曾有過這樣的疑問，這些關鍵函式機器碼到底是什麼時候怎麼從 Flash 中拷貝到 RAM 裡的？這要從工程啟動檔案 startup_MIMXRT1062.s 談起。在復位函式 Reset_Handler 的最後呼叫了 IAR 內建函式 __iar_program_start，這個函式中隱藏著玄機，我們可以在 \IAR Systems\Embedded Workbench 8.50.6\arm\src\lib\thumb\cstartup_M.c 檔案中找到該函式原型，順著原型你應該可以發現其中的奧祕。
Reset_Handler
CPSID I
LDR R0, =0xE000ED08
LDR R1, =__vector_table
STR R1, [R0]
LDR R2, [R1]
MSR MSP, R2
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
CPSIE I
LDR R0, =__iar_program_start
BX R0
不過痞子衡並不打算過多介紹 IAR 內建函式 __iar_program_start 實現細節，我們可以嘗試自己寫初始化程式碼來替代 __iar_program_start 中的拷貝過程。
先在工程連結檔案 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 裡做如下修改，即關掉 __iar_program_start 中的拷貝動作。
// initialize by copy { readwrite, section .textrw };
initialize manually { readwrite, section .textrw };
然後我們在啟動檔案復位函式 Reset_Handler 中呼叫 __iar_program_start 之前增加一個 init_data_bss() 函式呼叫：
Reset_Handler
CPSID I
LDR R0, =0xE000ED08
LDR R1, =__vector_table
STR R1, [R0]
LDR R2, [R1]
MSR MSP, R2
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =init_data_bss ; 新增初始化函式
BLX R0
CPSIE I
LDR R0, =__iar_program_start
BX R0
在這個 init_data_bss() 函式裡我們來自己完成 .data, .bss, .textrw 段的初始化，示例程式碼如下。其中最後的 .textrw 段的初始化就是關鍵函式從 Flash 到 RAM 的拷貝過程：
#pragma section = ".data"
#pragma section = ".data_init"
#pragma section = ".bss"
#pragma section = ".textrw"
#pragma section = ".textrw_init"
void init_data_bss(void)
{
uint32_t n;
// 拷貝 .data 段
uint8_t *data_ram = __section_begin(".data");
uint8_t *data_rom = __section_begin(".data_init");
uint8_t *data_rom_end = __section_end(".data_init");
n = data_rom_end - data_rom;
if (data_ram != data_rom)
{
while (n)
{
*data_ram++ = *data_rom++;
n--;
}
}
// 清零 .bss 段
uint8_t *bss_start = __section_begin(".bss");
uint8_t *bss_end = __section_end(".bss");
n = bss_end - bss_start;
while (n)
{
*bss_start++ = 0;
n--;
}
// 拷貝 .textrw 段（適用第一種函式重定向方法）
uint8_t *code_relocate_ram = __section_begin(".textrw");
uint8_t *code_relocate_rom = __section_begin(".textrw_init");
uint8_t *code_relocate_rom_end = __section_end(".textrw_init");
n = code_relocate_rom_end - code_relocate_rom;
while (n)
{
*code_relocate_ram++ = *code_relocate_rom++;
n--;
}
}
至此，在IAR開發環境下將關鍵函式重定向到RAM中執行的三種方法痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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衡傑(痞子衡)，目前就職於恩智浦MCU系統部門，擔任嵌入式系統應用工程師。
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