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IAR下关键函数重定向到RAM中执行的三种方法

2023-06-29

大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是在IAR开发环境下将关键函数重定向到RAM中执行的三种方法。

嵌入式项目里应用程序代码正常是放在 Flash 中执行的，但有时候也需要将代码中的一些函数重定向到 RAM 中去执行，这些函数包括 Flash 擦写操作函数（假定 Flash 本身有 RWW 限制），对执行时间要求特别高的中断响应函数或核心算法函数（假定 RAM 中代码执行速度超过 Flash）等等，这些被重定向到 RAM 中执行的函数我们通常称其为关键函数。

前段时间痞子衡跟一个美国同事正好在关键函数重定向机制方面交流了一下，那个美国同事用的是 IAR 开发环境，我们知道函数重定向一般是需要借助 IDE 特性的（主要是其中链接器），今天痞子衡就和大家聊一聊 IAR 环境下关键函数重定向的几种方法及其实现机制：

  • Note：阅读本文前需要对 、 这两种文件有所了解。

一、准备工作

为了便于描述后面的函数重定向方法实现，我们先做一些准备工作，选定的硬件平台是恩智浦 MIMXRT1060-EVK，主芯片内部有1MB RAM，外挂了 8MB Flash 和 32MB SDRAM。这些存储设备在芯片系统中映射地址空间如下：

NOR Flash: 0x60000000 - 0x607FFFFF （8MB）
ITCM RAM: 0x00000000 - 0x0001FFFF （128KB）
DTCM RAM: 0x20000000 - 0x2001FFFF （128KB）
OCRAM: 0x20200000 - 0x202BFFFF （768KB）
SDRAM: 0x80000000 - 0x81FFFFFF （32MB）

我们随便选择一个测试例程：\SDK_2.9.1_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\led_blinky\iar，其中 flexspi_nor 工程是最典型的代码链接场景（见 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 文件），全部的 readonly 段分配在 0x60000000 - 0x607FFFFF 空间（在 Flash 中），全部的 readwrite 段分配在 0x20000000 - 0x2001FFFF 空间（在 DTCM 中）。链接文件精简如下：

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 };

现在我们再创建一个新源文件 critical_code.c 用于示例关键函数，将这个源文件添加进 iled_blinky.ewp 工程里，critical_code.c 文件中只有如下三个测试函数（它们在 main 函数里会被调用）：

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);
}

编译链接修改后的 iled_blinky.ewp 工程，然后查看其映射文件（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 文件相关的内容如下，显然 critical_code.c 中的三个函数都会被链在 Flash 空间里（均在 .text 段里，总大小为 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

我们现在要做的事就是将 critical_code.c 文件中的函数重定向到 RAM 里执行，原链接文件 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 中指定的是 DTCM 来存放 readwrite 段，那我们就尝试将关键函数放到 DTCM 里（如需改到 ITCM、OCRAM、SDRAM，方法类似）。

2.1 __ramfunc 修饰函数

第一种方法是利用 __ramfunc 修饰符，这个修饰符是 IAR 链接器能特殊识别的，主要适用重定向单个关键函数。比如我们用它来修饰 critical_func1() 函数：

  • Note: __ramfunc 仅重定向被修饰的函数体本身代码，而该函数中调用的其他函数体本身并不受影响
__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);
}

编译链接修改后的 iled_blinky.ewp 工程，然后查看其映射文件（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 文件相关的内容如下，此时 critical_func1() 已经被放到了 IAR 内置的 .textrw 段里，这个段是 IAR 链接器专门用来收集重定向到 RAM 里的函数。

*******************************************************************************
*** 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] // 变化处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 // 变化处2

*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***
Entry Address Size Type Object
----- ------- ---- ---- ------
critical_func1 0x2000'000d 0x4 Code Gb critical_code.o [1] // 变化处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 里，原本 critical_code.o 只占 18bytes 的 ro code，现在变成了 14bytes ro code + 4bytes ro data + 4bytes rw data，因为原本占 4bytes ro code 的 critical_func1() 变成了 4bytes ro data + 4bytes rw data，是的，总消耗空间增大了，因为关键函数代码体本身依然需要占用 4bytes Flash 存储空间。

2.2 自定义section指定函数

第二种方法是利用 #pragma location 语法，将要指定的关键函数放到自定义段里。比如我们将 critical_func1() 函数放到名为 .criticalFunc 的自定义段里：

#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);
}

然后在工程链接文件 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 里将这个自定义的 section .criticalFunc 也放进 initialize by copy 语句中：

initialize by copy { readwrite, section .textrw,
section .criticalFunc }; // 添加 .criticalFunc 段

编译链接修改后的 iled_blinky.ewp 工程，然后查看其映射文件（iled_blinky.map）你会发现效果其实跟第一种方法是一模一样的，唯一的区别就是一个用 IAR 内置的 .textrw 段名，一个是用自定义段名 .criticalFunc 而已。

*******************************************************************************
*** 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] // 变化处
"P1": 0x1faa
.text ro code 0x6000'3dac 0xe critical_code.o [1]

2.3 针对源文件中全部函数

前两种重定向方法都适用单个关键函数（如果是多个关键函数，按方法逐一添加修饰当然也行），但如果某个源文件里函数特别多，并且我们希望将这个源文件里函数全部重定向到 RAM 里，有没有更便捷的方法呢？当然有！

我们现在将 critical_code.c 文件里全部函数都重定向，只需要在工程链接文件 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 里做如下修改：

initialize by copy { readwrite, section .textrw,
object critical_code.o, }; // 添加 critical_code.o 全部目标

编译链接修改后的 iled_blinky.ewp 工程，然后查看其映射文件（iled_blinky.map）找到跟 critical_code.c 文件相关的内容如下，此时 critical_func1/2/3() 都链接在 RAM 里了，这里比较有意思的是 critical_code.c 中的函数依旧是在 .text 段里，不过这部分 .text 段的属性从 RO 换到了 RW。

*******************************************************************************
*** 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] // 变化处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 // 变化处2

*******************************************************************************
*** ENTRY LIST
***
Entry Address Size Type Object
----- ------- ---- ---- ------
critical_func1 0x2000'000d 0x4 Code Gb critical_code.o [1] // 变化处3
critical_func2 0x2000'0011 0x6 Code Gb critical_code.o [1]
critical_func3 0x2000'0017 0x8 Code Gb critical_code.o [1]

三、启动文件中拷贝过程

三种函数重定向方法都介绍完了，不知道你是否曾有过这样的疑问，这些关键函数机器码到底是什么时候怎么从 Flash 中拷贝到 RAM 里的？这要从工程启动文件 startup_MIMXRT1062.s 谈起。在复位函数 Reset_Handler 的最后调用了 IAR 内置函数 __iar_program_start，这个函数中隐藏着玄机，我们可以在 \IAR Systems\Embedded Workbench 8.50.6\arm\src\lib\thumb\cstartup_M.c 文件中找到该函数原型，顺着原型你应该可以发现其中的奥秘。

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

不过痞子衡并不打算过多介绍 IAR 内置函数 __iar_program_start 实现细节，我们可以尝试自己写初始化代码来替代 __iar_program_start 中的拷贝过程。

先在工程链接文件 MIMXRT1062xxxxx_flexspi_nor.icf 里做如下修改，即关掉  __iar_program_start 中的拷贝动作。

// initialize by copy { readwrite, section .textrw };
initialize manually { readwrite, section .textrw };

然后我们在启动文件复位函数 Reset_Handler 中调用 __iar_program_start 之前增加一个 init_data_bss() 函数调用：

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 ; 新增初始化函数
BLX R0
CPSIE I
LDR R0, =__iar_program_start
BX R0

在这个 init_data_bss() 函数里我们来自己完成 .data, .bss, .textrw 段的初始化，示例代码如下。其中最后的 .textrw 段的初始化就是关键函数从 Flash 到 RAM 的拷贝过程：

#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;

    // 拷贝 .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--;
    }

    // 拷贝 .textrw 段（适用第一种函数重定向方法）
    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开发环境下将关键函数重定向到RAM中执行的三种方法痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~


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