嵌入式IDE(1)：IAR中ICF链接文件详解和实例分析

tilblackout2023-09-06 19:59

最近在使用NXP的提供的MCUXPresso IDE，除了Eclipse固有的优点外，我觉得它最大的优点就是在链接脚本的生成上，提供了非常直观的GUI配置界面。但这个IDE仅仅支持NXP相关的产品，而且调试的性能在某些情况下并不理想。而我们用得比较多的IDE是Keil和IAR，这两个IDE都有自己生成链接脚本的格式，本篇文章就来介绍一下与IAR的链接脚本生成相关的.icf(IAR Configuration File)后缀的IAR配置文件。

文章目录

  • [1 内存映射](#1 内存映射)
  • [2 ICF语法分析](#2 ICF语法分析)
    • [2.1 工程的ICF文件](#2.1 工程的ICF文件)
    • [2.2 define [exported] symbol和isdefinedsymbol](#2.2 define [exported] symbol和isdefinedsymbol)
    • [2.3 define memory、define region、区域表达式和define block](#2.3 define memory、define region、区域表达式和define block)
    • [2.4 initialize by copy和do not initialize](#2.4 initialize by copy和do not initialize)
    • [2.5 place at、keep和place in](#2.5 place at、keep和place in)

本来打算把ICF文件中的每一个指令的格式都详细地介绍一遍，但发现里面的指令太多了，而且很多都用不到。完整的指令请参考：<EWARM_DevelopmentGuide.ENU.pdf>中的The linker configuration file章节。

所以本篇文章就以I.MX RT1176的IAR工程中的ICF文件为例进行分析，然后详细理解一下每个用到的指令格式。对于本节的ICF例子，除了RT1176内部的几个RAM外，还接了NOR Flash和SDRAM。所以如果懂了这个ICF配置文件，对于其它MCU的配置文件来说也不会有太大的问题。

1 内存映射

首先来看一下整个工程的内存映射表格：

类型 名称 起始地址 大小
Flash NOR Flash 0x30000000 0x1000000
RAM SDRAM 0x80000000 0x3000000
RAM NCACHE_REGION 0x83000000 0x1000000
RAM SRAM_DTC_cm7 0x20000000 0x40000
RAM SRAM_ITC_cm7 0x0 0x40000
RAM SRAM_OC1 0x20240000 0x80000
RAM SRAM_OC2 0x202c0000 0x80000
RAM SRAM_OC_ECC1 0x20340000 0x10000
RAM SRAM_OC_ECC2 0x20350000 0x10000

对于我们的工程来说，有以下几个内存：

  1. 两个256KB的紧耦合内存DTCM和ITCM
  2. 两个带ECC的片内RAM：OC1和OC2。
  3. 在映射的起始地址为0x30000000的FlexSPI1接口上接了一个16MB的NOR Flash
  4. 在映射的起始地址为0x80000000的FlexSPI2接口上接了一个64MB的SDRAM。其中，前48MB用于可缓存的区域，后16MB(NCACHE_REGION)用于不可缓存区域，通常直接与硬件进行交互的buffer需要设置为不可缓存。

2 ICF语法分析

2.1 工程的ICF文件

针对上面的内存映射，官方的SDK中提供的ICF文件如下：

define symbol __ram_vector_table_size__        =  isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? 0x00000400 : 0;
define symbol __ram_vector_table_offset__      =  isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? 0x000003FF : 0;

define symbol m_interrupts_start       = 0x30002000;
define symbol m_interrupts_end         = 0x300023FF;

define symbol m_text_start             = 0x30002400;
if (isdefinedsymbol(__use_flash64MB__)) {
  define symbol m_text_end               = 0x33FFFFFF;
} else{
  define symbol m_text_end               = 0x30FFFFFF;
}

define symbol m_interrupts_ram_start   = 0x20000000;
define symbol m_interrupts_ram_end     = 0x20000000 + __ram_vector_table_offset__;

define symbol m_data_start             = m_interrupts_ram_start + __ram_vector_table_size__;
define symbol m_data_end               = 0x2003FFFF;

define symbol m_data2_start            = 0x202C0000;
define symbol m_data2_end              = 0x2033FFFF;

define symbol m_data3_start            = 0x80000000;
define symbol m_data3_end              = 0x82FFFFFF;

define symbol m_ncache_start                   = 0x83000000;
define symbol m_ncache_end                     = 0x83FFFFFF;

define exported symbol __NCACHE_REGION_START   = m_ncache_start;
define exported symbol __NCACHE_REGION_SIZE    = m_ncache_end - m_ncache_start + 1;

define symbol m_qacode_start           = 0x00000000;
define symbol m_qacode_end             = 0x0003FFFF;

define exported symbol m_boot_hdr_conf_start = 0x30000400;
define symbol m_boot_hdr_ivt_start           = 0x30001000;
define symbol m_boot_hdr_boot_data_start     = 0x30001020;
define symbol m_boot_hdr_dcd_data_start      = 0x30001030;
define symbol m_boot_hdr_xmcd_data_start      = 0x30001040;

/* Sizes */
if (isdefinedsymbol(__stack_size__)) {
  define symbol __size_cstack__        = __stack_size__;
} else {
  define symbol __size_cstack__        = 0x0400;
}

if (isdefinedsymbol(__heap_size__)) {
  define symbol __size_heap__          = __heap_size__;
} else {
  define symbol __size_heap__          = 0x0400;
}

define exported symbol __VECTOR_TABLE          = m_interrupts_start;
define exported symbol __VECTOR_RAM            = isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? m_interrupts_ram_start : m_interrupts_start;
define exported symbol __RAM_VECTOR_TABLE_SIZE = __ram_vector_table_size__;

define memory mem with size = 4G;
define region TEXT_region = mem:[from m_interrupts_start to m_interrupts_end]
                          | mem:[from m_text_start to m_text_end];
define region QACODE_region = mem:[from m_qacode_start to m_qacode_end];
define region DATA_region = mem:[from m_data_start to m_data_end];
define region DATA2_region = mem:[from m_data2_start to m_data2_end];
define region DATA3_region  = mem:[from m_data3_start to m_data3_end-__size_cstack__];
define region CSTACK_region = mem:[from m_data3_end-__size_cstack__+1 to m_data3_end];
define region NCACHE_region = mem:[from m_ncache_start to m_ncache_end];

define block CSTACK    with alignment = 8, size = __size_cstack__   { };
define block HEAP      with alignment = 8, size = __size_heap__     { };
define block RW        { first readwrite, section m_usb_dma_init_data };
define block ZI         with alignment = 32  { first zi, section m_usb_dma_noninit_data };
define block NCACHE_VAR    { section NonCacheable , section NonCacheable.init };
define block QACCESS_CODE  { section CodeQuickAccess };
define block QACCESS_DATA  { section DataQuickAccess };

initialize by copy { readwrite, section .textrw, section CodeQuickAccess, section DataQuickAccess };
do not initialize  { section .noinit };

place at address mem: m_interrupts_start    { readonly section .intvec };
place at address mem: m_boot_hdr_conf_start { section .boot_hdr.conf };
place at address mem: m_boot_hdr_ivt_start { section .boot_hdr.ivt };
place at address mem: m_boot_hdr_boot_data_start { readonly section .boot_hdr.boot_data };
place at address mem: m_boot_hdr_dcd_data_start { readonly section .boot_hdr.dcd_data };
place at address mem: m_boot_hdr_xmcd_data_start { readonly section .boot_hdr.xmcd_data };

keep{ section .boot_hdr.conf, section .boot_hdr.ivt, section .boot_hdr.boot_data, section .boot_hdr.dcd_data, section .boot_hdr.xmcd_data};

place in TEXT_region                        { readonly };
place in DATA3_region                       { block RW };
place in DATA3_region                       { block ZI };
if (isdefinedsymbol(__heap_noncacheable__)) {
  place in NCACHE_region                    { last block HEAP };
} else {
  place in DATA3_region                     { last block HEAP };
}
place in NCACHE_region                      { block NCACHE_VAR };
place in CSTACK_region                      { block CSTACK };
place in QACODE_region                      { block QACCESS_CODE };
place in DATA_region                        { block QACCESS_DATA };

下面来一段段分析上面的ICF文件。

2.2 define [exported] symbol和isdefinedsymbol

define symbol __ram_vector_table_size__        =  isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? 0x00000400 : 0;
define symbol __ram_vector_table_offset__      =  isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? 0x000003FF : 0;

define symbol m_interrupts_start       = 0x30002000;
define symbol m_interrupts_end         = 0x300023FF;

define symbol m_text_start             = 0x30002400;
if (isdefinedsymbol(__use_flash64MB__)) {
  define symbol m_text_end               = 0x33FFFFFF;
} else{
  define symbol m_text_end               = 0x30FFFFFF;
}

define symbol m_interrupts_ram_start   = 0x20000000;
define symbol m_interrupts_ram_end     = 0x20000000 + __ram_vector_table_offset__;

define symbol m_data_start             = m_interrupts_ram_start + __ram_vector_table_size__;
define symbol m_data_end               = 0x2003FFFF;

define symbol m_data2_start            = 0x202C0000;
define symbol m_data2_end              = 0x2033FFFF;

define symbol m_data3_start            = 0x80000000;
define symbol m_data3_end              = 0x82FFFFFF;

define symbol m_ncache_start                   = 0x83000000;
define symbol m_ncache_end                     = 0x83FFFFFF;

define exported symbol __NCACHE_REGION_START   = m_ncache_start;
define exported symbol __NCACHE_REGION_SIZE    = m_ncache_end - m_ncache_start + 1;

define symbol m_qacode_start           = 0x00000000;
define symbol m_qacode_end             = 0x0003FFFF;

这一段中出现了两个ICF语法：

(1)isdefinedsymbol(name) ：当name被定义了返回1，否则返回0

(2)define symbol：定义一个变量

  • 语法：define [ exported ] symbol name = expr;
  • 参数：name为变量名，expr为变量的值，exported可省略，若定义则可以在程序中使用extern来获取此变量的值

现在来分析一下上面的链接文件：

(1)__ram_vector_table__和__ram_vector_table__在其它地方都没有定义，即__ram_vector_table_size__和__ram_vector_table_offset__的值都为0。所以，m_interrupts_ram_start和m_interrupts_ram_end都为0x20000000。

实际上，由于程序是运行在NOR Flash中的，程序镜像起始处的中断向量表也映射到了NOR Flash中，而不是保存在RAM中。所以实际上上面的这几个变量并没有被使用到，可以直接忽略。

真正使用的向量表变量是m_interrupts_start(0x30002000)和m_interrupts_end(0x300023FF)，长度为0x3FF+1=0x400，可以去启动的.s数一下，程序最开始的向量长度确实是填充到了0x400处。

  • 至于为什么向量表从NOR Flash的0x2000偏移处开始，这是因为I.MX系列单片机都需要一个IVT头供芯片固有的ROM BootLoader进行引导，这个头在使用NOR Flash XIP时，长度为0x2000。这里不用过多纠结。

(2)m_text_start(0x30002400)和m_text_end(0x30FFFFFF)紧跟着向量表，就是后续的代码段链接的位置了，大小为16MB。

(3)m_data_start和m_data_end;m_data2_start和m_data2_end;m_data3_start和m_data3_end;m_ncache_start和m_ncache_end;m_qacode_start和m_qacode_end

这三个变量分别定义了DTCM、OC2、SDRAM(可缓存部分)、SDRAM(不可缓存部分)和ITCM的内存起始和结束地址。

(4)__NCACHE_REGION_START和__NCACHE_REGION_SIZE：定义了不可缓存内存的起始和结束地址，这个部分用了export，这是因为不可缓存部分需要在程序的MPU代码中进行配置。

接着往下分析：

/* 这里定义的是IVT头中不同参数的偏移,这里不做分析 */
define exported symbol m_boot_hdr_conf_start = 0x30000400;
define symbol m_boot_hdr_ivt_start           = 0x30001000;
define symbol m_boot_hdr_boot_data_start     = 0x30001020;
define symbol m_boot_hdr_dcd_data_start      = 0x30001030;
define symbol m_boot_hdr_xmcd_data_start      = 0x30001040;

/* Sizes */
if (isdefinedsymbol(__stack_size__)) {
  define symbol __size_cstack__        = __stack_size__;
} else {
  define symbol __size_cstack__        = 0x0400;
}

if (isdefinedsymbol(__heap_size__)) {
  define symbol __size_heap__          = __heap_size__;
} else {
  define symbol __size_heap__          = 0x0400;
}

define exported symbol __VECTOR_TABLE          = m_interrupts_start;
define exported symbol __VECTOR_RAM            = isdefinedsymbol(__ram_vector_table__) ? m_interrupts_ram_start : m_interrupts_start;
define exported symbol __RAM_VECTOR_TABLE_SIZE = __ram_vector_table_size__;

(1)__size_cstack__和__size_heap__为程序的栈、堆大小的相关变量，后面会使用到。

  • 实际上在这个工程中使用了FreeRTOS，所以只需要保证这里面的栈大小能够运行FreeRTOS的初始化函数就行了，后面的堆、栈都由FreeRTOS管理，从分配给FreeRTOS的空间中分配。

(2)__VECTOR_TABLE(0x30002000)、__VECTOR_RAM(0x30002000)和__RAM_VECTOR_TABLE_SIZE(0)

将这三个变量export给程序。实际上在这个工程中没有使用到这三个变量，这三个变量原本是用来将保存在Flash中的向量表拷贝到RAM中的，所以如果使用的是non-XIP的Flash，如NAND Flash，就会用到这三个变量。

2.3 define memory、define region、区域表达式和define block

先来看一下下面将新出现的ICF语法：
(1)define memory ：定义一块内存

  • 语法：define memory [ name ] with size = size_expr [ ,unit-size ];
  • 参数：name为内存名，expr为内存大小，unit-size可省略，若定义它必须赋值为bitsize_expr(位)或bytesize_expr(字节)，表示前面内存大小的单位，默认为字节。

(2)define region：定义一块可以放置特定的代码段和数据段的区域。一个区域由一个或多个内存范围组成，每个内存范围都是在特定内存中连续的字节序列。

  • 语法：define [ ram | rom ] region_name = region-expr;
  • 参数：region_name为区域名，[ ram | rom ]可省略，分别表示该region为RAM或ROM。region-expr是区域表达式，使用区域表达式可以组合多个内存范围，这些内存范围可以不连续，甚至不在同一块内存中。在(3)中介绍。

(3)区域表达式

  • 语法：[ memory-name: ][from expr { to expr | size expr } [ repeat expr [ displacement expr ]]]
  • 参数：memory-name为内存区域的名称，如果只有一块内存，可省略此项；from expr { to expr | size expr分别为内存区域的起始地址、终止地址和大小；repeat expr表示同一个内存中分的多个内存范围；displacement expr是repeat序列中从前一个内存范围开始的偏移，默认大小为size。

同时区域之间还可以有一些运算：

  • A | B：A和B的并集
  • A & B：A和B的交集
  • A - B：A排除B的集合

(4)define block ：块指令定义了一个连续的内存区域，该区域可能包含一组可能为空的段或其他块。

语法：

define [ movable ] block name
[ with param, param... ]
{
extended-selectors
}
[ except
{
section-selectors
} ];

其中param可以为下面之一:
size = expr
minimum size = expr
maximum size = expr
expanding size
alignment = expr
end alignment = expr
fixed order
alphabetical order
static base [basename]

块指令比较复杂，参数比较多，有很多参数也用不到，这里就不具体地解释每一个参数了，下面会直接通过解释例子中的几个块指令的含义来帮助大家看懂ICF文件。具体指令的定义可以参考手册p521的define block directive。

继续往下分析ICF文件，接下来就是定义一些内存、区域和块：

/* 定义一整个大小为2^32=4G的内存,即芯片的最大寻址范围 */
define memory mem with size = 4G;
define region TEXT_region = mem:[from m_interrupts_start to m_interrupts_end]
                          | mem:[from m_text_start to m_text_end];
define region QACODE_region = mem:[from m_qacode_start to m_qacode_end];
define region DATA_region = mem:[from m_data_start to m_data_end];
define region DATA2_region = mem:[from m_data2_start to m_data2_end];
define region DATA3_region  = mem:[from m_data3_start to m_data3_end-__size_cstack__];
define region CSTACK_region = mem:[from m_data3_end-__size_cstack__+1 to m_data3_end];
define region NCACHE_region = mem:[from m_ncache_start to m_ncache_end];

define block CSTACK    with alignment = 8, size = __size_cstack__   { };
define block HEAP      with alignment = 8, size = __size_heap__     { };
define block RW        { first readwrite, section m_usb_dma_init_data };
define block ZI         with alignment = 32  { first zi, section m_usb_dma_noninit_data };
define block NCACHE_VAR    { section NonCacheable , section NonCacheable.init };
define block QACCESS_CODE  { section CodeQuickAccess };
define block QACCESS_DATA  { section DataQuickAccess };

上面的脚本中定义了多个内存区域，其中TEXT_region即代码段的范围，即NOR Flash中0x30002000后开始放代码的区域；QACODE_region即ITCM的区域；DATA_region即DTCM的区域；DATA2_region即SRAM_OC2的区域；DATA3_region即SDRAM的可cacheable区域；CSTACK_region为栈的区域，这里定义为DATA3_region的最后__size_cstack__字节区域；NCACHE_region即SDRAM的non-cacheable区域。

接下来就是定义多个block了，其中CSTACK和HEAP分别为栈和堆的块，它要求这里面的内存8字节对齐，大小分别为__size_cstack__和__size_heap__；RW中的first是一个extended-selectors表达式(参考p540)，这里表示将readwrite块放置在包含RW块(即RW块的父集)的最前面，这里可以定义多个section-selectors，用逗号隔开，所以后面的section m_usb_dma_init_data定义了一个名为m_usb_dma_init_data的section在这个块中；ZI与RW类似，它额外要求32字节对齐；NCACHE_VAR、QACCESS_CODE和QACCESS_DATA 都是定义了一个特定名称section在这个block中。

  • 比如这里section定义的m_usb_dma_init_data，可以在程序中使用#pragma(location=m_usb_dma_init_data)或__attribute__((section("m_usb_dma_init_data")))来定义变量到RW中
  • readwrite(RW)、readonly和zi为ICF文件内置的三个block，分别为读写段、只读段和bss段。readwrite段默认包含了程序中有初始值的变量，readonly段默认包含了程序的代码，zi段默认包含了程序中没有初始值的变量。

2.4 initialize by copy和do not initialize

（1）initialize by copy

语法(具体参考P527)：

initialize { by copy | manually }
[ with param, param... ]
{
section-selectors
}
[ except
{
section-selectors
} ];

这里的by copy表示复制一个段，这也很好理解，比如对于RW段来说，只要不是bss段的有初始值的变量，这些初始值是会占据编译出来的image的大小的，也就是这些初始值是保存在Flash中，然后上电后再拷贝到RAM中的，这里定义的RW段是RAM，所以再"copy"一段到Flash中。

（2）do not initialize ：与initialize by copy相反，一般用于bss段

继续往下看ICF文件：

initialize by copy { readwrite, section .textrw, section CodeQuickAccess, section DataQuickAccess };
do not initialize  { section .noinit };

就是根据定义的某个section是否会存放有初始值的变量，手动定义section到initialize by copy或do not initialize。

2.5 place at、keep和place in

（1）place at

[ "name": ]
place [ noload ] at { address [ memory: ] address |
start of region_expr [ with mirroring to mirror_address ] |
end of region_expr [ with mirroring to mirror_address ] }
{
extended-selectors
}
[ except
{
section-selectors
} ];

该指令用于将sections和blocks放置在特定地址或者区域的开头或末尾。
（2）keep

keep
{
[ { section-selectors | block name }
[ , {section-selectors | block name }... ] ]
}
[ except
{
section-selectors
} ];

这里的keep和链接脚本ld文件中的keep的作用一样，用于控制链接器在生成可执行文件或库时保留特定的sections和blocks，防止链接器优化过程中丢弃未被引用的sections和blocks。
(3)place in

[ "name": ]
place [ noload ] in region-expr
[ with mirroring to mirror_address ]
{
extended-selectors
}
[ except{
section-selectors
} ];

place in会防止section和block到一个特定的区域。如果有多个section和block，则它们之间放置的顺序是随机的，如果想指定这个顺序可以用block表达式，一般用不到。

继续往下看链接脚本：

place at address mem: m_interrupts_start    { readonly section .intvec };
place at address mem: m_boot_hdr_conf_start { section .boot_hdr.conf };
place at address mem: m_boot_hdr_ivt_start { section .boot_hdr.ivt };
place at address mem: m_boot_hdr_boot_data_start { readonly section .boot_hdr.boot_data };
place at address mem: m_boot_hdr_dcd_data_start { readonly section .boot_hdr.dcd_data };
place at address mem: m_boot_hdr_xmcd_data_start { readonly section .boot_hdr.xmcd_data };
keep{ section .boot_hdr.conf, section .boot_hdr.ivt, section .boot_hdr.boot_data, section .boot_hdr.dcd_data, section .boot_hdr.xmcd_data};

place in TEXT_region                        { readonly };
place in DATA3_region                       { block RW };
place in DATA3_region                       { block ZI };
if (isdefinedsymbol(__heap_noncacheable__)) {
  place in NCACHE_region                    { last block HEAP };
} else {
  place in DATA3_region                     { last block HEAP };
}
place in NCACHE_region                      { block NCACHE_VAR };
place in CSTACK_region                      { block CSTACK };
place in QACODE_region                      { block QACCESS_CODE };
place in DATA_region                        { block QACCESS_DATA };

上面的place at就是将后面大括号里的section放置到前面指定的地址中，而这些section可以在程序中使用例如__attribute__((section(".boot_hdr.boot_data"), used))的语句放置到指定段中。这里的几个段实际上是I.MX RT系列单片机的启动头，通过这种方式可以在C文件中更改启动头的内容。

  • 上面定义的6个section应该都是readonly才对，我的猜测是可写可不写，因为这里已经强制了放置的地址，这里的地址都在Flash，应该默认就已经表示都是readonly。可惜IAR没有生成像Makefile那样标准的链接脚本，不然可以对比一下前后的差别。

后面的place in就是将前面定义的各个block(由多个section组成)放置到前面定义的各个region(代表一个或多个地址范围)中。其中last block HEAP中的last和前面遇到的first一样，也是extended-selectors中的定义，表示放置该region的最后面。

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