從文件角度看Cortex-M開(kāi)發(fā)—鏈接文件

一、 嵌入式系統(tǒng)中的section

在講linker文件之前，痞子衡必須先跟大家理清一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中很重要的概念-section。那么什么是section？我們寫(xiě)的C或者匯編source文件里都是各種應(yīng)用代碼，這些代碼按功能可以分為很多種類(lèi)，比如常量、變量、函數(shù)、堆棧等，而相同類(lèi)型的代碼的集合便是一個(gè)section，鏈接器在鏈接時(shí)組織數(shù)據(jù)的基本單元便是section。那么一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)中到底有多少種section呢？下面列出了IAR里默認(rèn)的所有section，那些常見(jiàn)section在后續(xù)介紹linker文件里會(huì)被提到。

//常見(jiàn)Section
.bss                 // Holds zero-initialized static and global variables.
CSTACK               // Holds the stack used by C or C++ programs.
.data                // Holds static and global initialized variables.
.data_init           // Holds initial values for .data sections when the linker directive initialize is used.
HEAP                 // Holds the heap used for dynamically allocated data.
.intvec              // Holds the reset vector table
.noinit              // Holds __no_init static and global variables.
.rodata              // Holds constant data.
.text                // Holds the program code.
.textrw              // Holds __ramfunc declared program code.
.textrw_init         // Holds initializers for the .textrw declared section.

//較冷僻Section
.exc.text            // Holds exception-related code.
__iar_tls.$$DATA     // Holds initial values for TLS variables.
.iar.dynexit         // Holds the atexit table.
.init_array          // Holds a table of dynamic initialization functions.
IRQ_STACK            // Holds the stack for interrupt requests, IRQ, and exceptions.
.preinit_array       // Holds a table of dynamic initialization functions.
.prepreinit_array    // Holds a table of dynamic initialization functions.
Veneer$$CMSE         // Holds secure gateway veneers.

//更冷僻Section
.debug               // Contains debug information in the DWARF format
.iar.debug           // Contains supplemental debug information in an IAR format
.comment             // Contains the tools and command lines used for building the file
.rel or .rela        // Contains ELF relocation information
.symtab              // Contains the symbol table for a file
.strtab              // Contains the names of the symbol in the symbol table
.shstrtab            // Contains the names of the sections.

Note：上述section的詳細(xì)解釋請(qǐng)查閱IAR軟件安裝目錄下IAR SystemsEmbedded Workbench xxxarmdocEWARM_DevelopmentGuide.ENU.pdf文檔里的Section reference一節(jié)。

二、解析linker文件

知道了section概念，那便可開(kāi)始深入了解linker文件，什么是linker文件？linker文件是按IDE規(guī)定的語(yǔ)法寫(xiě)成的用于指示鏈接器分配各section在嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器中存放位置的文件。大家都知道嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器主要分為兩類(lèi)：ROM（非易失性），RAM（易失性），所以相應(yīng)的這些section根據(jù)存放的存儲(chǔ)器位置不同也分為兩類(lèi)屬性：readonly, readwrite。實(shí)際上linker文件的工作就是將readonly section放進(jìn)ROM，readwrite section放進(jìn)RAM。

那么到底該如何編寫(xiě)工程的linker文件呢？正如前面所言，linker文件也是有語(yǔ)法的，而且這語(yǔ)法是由IDE指定的，所以必須要先掌握IDE制定的語(yǔ)法規(guī)則，linker文件語(yǔ)法規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單，最常用的關(guān)鍵字就是如下8個(gè)：

// 動(dòng)詞類(lèi)關(guān)鍵字
define                // 定義各種空間范圍、長(zhǎng)度
initialize            // 設(shè)置section初始化方法
place in              // 放置section于某region中（具體地址由鏈接器分配）
place at              // 放置section于某絕對(duì)地址處

// 名詞類(lèi)關(guān)鍵字
symbol                // 各種空間范圍、長(zhǎng)度的標(biāo)識(shí)
memory                // 整個(gè)ARM內(nèi)存空間的標(biāo)識(shí)
region                // 在整個(gè)ARM內(nèi)存空間中劃分某region空間的標(biāo)識(shí)
block                 // 多個(gè)section的集合塊的標(biāo)識(shí)

Note：上述linker語(yǔ)法的詳細(xì)解釋請(qǐng)查閱IAR軟件安裝目錄下IAR SystemsEmbedded Workbench xxxarmdocEWARM_DevelopmentGuide.ENU.pdf文檔里的The linker configuration file一節(jié)。

到這里我們已經(jīng)可以開(kāi)始愉快地寫(xiě)linker文件了，是不是有點(diǎn)按捺不住了？來(lái)吧，只需要三步走，Let's do it。

此處假設(shè)MCU物理空間為：ROM（0x0 - 0x1ffff）、RAM（0x10000000 - 0x1000ffff），痞子衡要寫(xiě)的linker要求如下：

• 中斷向量表必須放置于ROM起始地址0x0，且必須256字節(jié)對(duì)齊
• STACK大小為8KB，HEAP大小為1KB，且必須8字節(jié)對(duì)齊
• SATCK必須放置在RAM起始地址0x10000000
• 其余section放置在正確的region里，具體空間由鏈接器自動(dòng)分配

2.1 定義物理空間

第一步我們先定義3塊互不重疊的空間ROM_region、RAM_region、STACK_region，其中ROM_region對(duì)應(yīng)的是真實(shí)的ROM空間，RAM_region和STACK_region組合成真實(shí)的RAM空間。

// 定義物理空間邊界
define symbol __ICFEDIT_region_ROM_start__ = 0x00000000;
define symbol __ICFEDIT_region_ROM_end__   = __ICFEDIT_region_ROM_start__ + (128*1024 - 1);
define symbol __ICFEDIT_region_RAM_start__ = 0x10000000;
define symbol __ICFEDIT_region_RAM_end__   = __ICFEDIT_region_RAM_start__ + (64*1024 - 1);
define symbol __ICFEDIT_intvec_start__     = __ICFEDIT_region_ROM_start__;

// 定義堆棧長(zhǎng)度
define symbol __ICFEDIT_size_cstack__      = (8*1024);
define symbol __ICFEDIT_size_heap__        = (1*1024);

// 定義各region具體空間范圍
define memory mem with size = 4G;
define region ROM_region    = mem:[from __ICFEDIT_region_ROM_start__ to __ICFEDIT_region_ROM_end__];
define region STACK_region  = mem:[from __ICFEDIT_region_RAM_start__ to  __ICFEDIT_region_RAM_start__ + __ICFEDIT_size_cstack__ - 1];
define region RAM_region    = mem:[from __ICFEDIT_region_RAM_start__ + __ICFEDIT_size_cstack__  to __ICFEDIT_region_RAM_end__];

2.2 定義section集合

第二步是自定義section集合塊，細(xì)心的朋友可以看到右邊花括號(hào)里包含的都是上一節(jié)介紹的系統(tǒng)默認(rèn)section，我們會(huì)把具有相同屬性的section集合成到一個(gè)block里，方便下一步的放置工作。

// 定義堆棧塊及其屬性
define block CSTACK    with alignment = 8, size = __ICFEDIT_size_cstack__   { };
define block HEAP      with alignment = 8, size = __ICFEDIT_size_heap__     { };

// 定義section集合塊
define block Vectors with alignment=256 { readonly section .intvec };
define block CodeRelocate               { section .textrw_init };
define block CodeRelocateRam            { section .textrw };
define block ApplicationFlash           { readonly, block CodeRelocate };
define block ApplicationRam             { readwrite, block CodeRelocateRam, block HEAP };

有朋友可能會(huì)疑問(wèn)，為何要定義CodeRelocate、CodeRelocateRam這兩個(gè)block？按道理說(shuō)這兩個(gè)block對(duì)應(yīng)的section可以分別放進(jìn)ApplicationFlash和ApplicationRam，那為何多此一舉？仔細(xì)上過(guò)痞子衡前一節(jié)課source文件的朋友肯定就知道答案了，在那節(jié)課里介紹的startup.c文件里有一個(gè)叫init_data_bss()的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)完成初始化CodeRelocateRam塊的功能，它找尋的就是CodeRelocate段名字，這個(gè)名字比系統(tǒng)默認(rèn)的textrw名字看起來(lái)更清晰易懂。

2.3 安置section集合

第三步便是處理放置那些section集合塊了，在放置集合塊之前還有initialize manually語(yǔ)句，為什么會(huì)有這些語(yǔ)句？還是得結(jié)合前面提及的startup.c文件里的init_data_bss()函數(shù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)函數(shù)是開(kāi)發(fā)者自己實(shí)現(xiàn)的data,bss段的初始化，所以此處需要通知IDE，你不需要再幫我做初始化工作了。

// 設(shè)置初始化方法
initialize manually { readwrite };
initialize manually { section .data};
initialize manually { section .textrw };
do not initialize   { section .noinit };

// 放置section集合塊
place at start of ROM_region { block Vectors };
//place at address mem:__ICFEDIT_intvec_start__ { block Vectors };
place in ROM_region          { block ApplicationFlash };
place in RAM_region          { block ApplicationRam };
place in STACK_region        { block CSTACK };

當(dāng)然如果你希望IDE幫你自動(dòng)初始化data,bss,textrw段，那么可以用下面語(yǔ)句替換initialize manually語(yǔ)句。

initialize by copy { readwrite, section .textrw };

設(shè)置好初始化方法后，便是放置section集合塊了，放置方法主要有兩種，place in和place at，前者用于指定空間塊放置（不指定具體地址），后者是指定具體地址放置。

至此一個(gè)基本的linker文件便大功告成了，是不是so easy？

番外一、自定義section

有耐心看到這里的朋友，痞子衡必須得放個(gè)大招獎(jiǎng)勵(lì)一下，前面講的都是怎么處理系統(tǒng)默認(rèn)段，那么有沒(méi)有可能在代碼里自定義段呢？想象一下你有這樣的需求，你需要在你的應(yīng)用里開(kāi)辟一塊1KB的可更新的數(shù)據(jù)區(qū)，你想把這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)指定到地址0x18000 - 0x183ff的范圍內(nèi)，你需要在應(yīng)用里定義4 Byte的只讀config block常量指向這個(gè)可更新數(shù)據(jù)區(qū)首地址（這段config block只會(huì)被外部debugger或者bootloader更新），如何做到？

// C文件中
/////////////////////////////////////////////////////
// 用@操作符指定變量myConfigBlock[4]放進(jìn)自定義.myBuffer section
const uint8_t myConfigBlock[4] @ ".myBuffer" = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03};

// Linker文件中
/////////////////////////////////////////////////////
// 自定義指定的mySection_region，并把.myBuffer放到這個(gè)region
define region mySection_region = mem:[from  0x0x18000 to 0x183ff];
place at start of mySection_region { readonly section .myBuffer };

上面做到了將代碼中的常量放入自定義段？，那么怎么將代碼中的函數(shù)也放進(jìn)自定義段呢？繼續(xù)看下去

// C文件中
/////////////////////////////////////////////////////
// 用#pragma location指定函數(shù)myFunction()放進(jìn)自定義.myTask section
#pragma location = ".myTask"
void myFunction(void)
{
    __NOP();
}

// Linker文件中
/////////////////////////////////////////////////////
// 把.myTask放到mySection_region
place in mySection_region { readonly section .myTask };

看起來(lái)大功告成了，最后還有一個(gè)注意事項(xiàng)，如果myConfigBlock在代碼中并未被引用，IDE在鏈接的時(shí)候可能會(huì)忽略這個(gè)變量（IDE認(rèn)為它沒(méi)用，所以優(yōu)化了），那么怎么讓IDE強(qiáng)制鏈接myConfigBlock呢？IAR留了個(gè)后門(mén)，在options->Linker->Input選項(xiàng)卡中的Keep symbols輸入框里填入你想強(qiáng)制鏈接的對(duì)象名（注意是代碼中的對(duì)象名，而非linker文件中的自定義段名）即可。