在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI

随着汽车智能化程度的提高，集成的ECU(Electronic Control Unit)数量不断增加，OTA(Over-the-Air)技术变得越来越普遍，它允许车辆通过无线网络接收软件更新，从而实现功能升级和性能改进，提高了便利性。

根据硬件的不同特性，OTA有对应的实现策略： $1$

如果硬件支持A/B Swap，对应的应用程序只需要链接一次就可以在两个不同的物理地址运行；
如果硬件不支持A/B Swap，对应的应用程序可以通过ROPI(Read-Only Position-Independent)的方式实现在不同的物理地址运行。

**基于Arm的MCU在汽车行业中广泛使用，IAR Embedded Workbench for Arm是一套完整的集成开发环境，符合ISO 26262功能安全标准，支持Arm的编译和调试。**本文主要以Arm Cortex-M为例介绍如何在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI。

01.Arm ROPI介绍

Arm ROPI并没有特别的寄存器来实现，而是通过基于PC的相对地址访问代码和只读数据：

02.在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI

在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI非常方便，勾选对应的ROPI编译选项(C/C++ Compiler > Code > Position-independence > Code and read-only data (ropi))：

下面通过一个简单的例子介绍如何在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI。

假设对应Code Flash的地址区间是：0x00000000 ~ 0x0007FFFF (512KB)。其中Bootloader的地址区间是0x00000000 ~ 0x00007FFF (32KB) ，而Application的地址区间分别为： 0x00008000 ~ 0x00043FFF (240KB) 和0x00044000 ~ 0x0007FFFF (240KB) 。

Application链接的时候使用的地址区间0x00008000 ~ 0x00043FFF：

复制代码

define region IROM_region = mem:[from 0x00008000 to 0x00043fff];
place in IROM_region { readonly };
place at address mem: 0x00008000 { readonly section .intvec };

map文件显示对应Application放到地址区间0x00008000 ~ 0x00043FFF：

由于Arm Cortex-M向量表包含的是MSP初始值和对应异常服务函数的地址：

对应异常服务函数的地址是一个绝对地址，为了让向量表支持ROPI，需要对向量表做对应的处理，其中最简单的方法就是把向量表放到RAM区域：

cpp 复制代码

SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)
SECTION .intvec:CODE:ROOT(2) 
EXTERN __iar_program_start 
EXTERN SystemInit 
EXTERN main 
PUBLIC __vector_table 
DATA
__vector_table 
DCD sfe(CSTACK)
...
; Relocate Vector Table to RAM  
SECTION .intvec_ram:DATA:NOROOT(2) 
PUBLIC __vector_table_ram 
DATA
__vector_table_ram 
DCD sfe(CSTACK)

在icf文件中把向量表放到RAM指定位置：

cpp 复制代码

place at address mem: 0x1fff8000 { section .intvec_ram };

然后Bootloader在跳转到Application之前需要根据Application实际运行的地址修改对应的向量表：

cpp 复制代码

/* Copy vector table from ROM to RAM and add corresponding offset for ROPI !!!*/
#pragma section = ".intvec" 
static void CopyVectorTable(void)
{ 
const uint32_t u32NrOfVectors = (uint32_t) __section_size(".intvec") / 4U; 
uint32_t * const pu32RamTable = (uint32_t *) (0x1FFF8000U); 
uint32_t * const pu32RomTable = (uint32_t *) (0x00044000U); 
/* The 1st element is MSP which does not add offset for ROPI !!! */ 
pu32RamTable[0] = pu32RomTable[0]; 
/* Following elements need add corresponding offset for ROPI !!! */  
for(uint32_t u32Index = 1U; u32Index < u32NrOfVectors; u32Index++) 
 {  
  pu32RamTable[u32Index] = pu32RomTable[u32Index] + 0x0003C000U; 
 }
}

下面启动代码里面的Reset_Handler实现不支持ROPI：

cpp 复制代码

THUMB 
PUBWEAK Reset_Handler 
SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
 LDR R0, =SystemInit
 BLX R0
 LDR R0, =__iar_program_start
 BX R0

需要将对应向量表中的Reset_Handler改成main函数：

cpp 复制代码

 SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)
 SECTION .intvec:CODE:ROOT(2)
 EXTERN __iar_program_start
 EXTERN SystemInit
 EXTERN main
 PUBLIC __vector_table
 DATA
__vector_table
 DCD sfe(CSTACK)
 DCD main ;main
  ...
; Relocate Vector Table to RAM
 SECTION .intvec_ram:DATA:NOROOT(2)
 PUBLIC __vector_table_ram
 DATA
__vector_table_ram
 DCD sfe(CSTACK)
 DCD main ;main
  ...

同时在main函数里面调用SystemInit和__iar_data_init3函数：

cpp 复制代码

void __iar_data_init3(void);
int main(void)
{ 
SystemInit();
 __iar_data_init3();
 ...

对应program entry配置为main函数：

在Bootloader工程中下载调试来验证对应Application是否支持ROPI。

在Bootloader调试选项(Debugger > Images > Download extra image)中添加对应Application.out文件并配置对应的Offset (0x00044000 - 0x00008000 = 0x0003C000):

Bootloader在跳转到Application之前根据Application实际运行的地址修改对应的向量表 (对应向量表包含的地址需要是Application实际运行的地址)：

然后Bootloader跳转到向量表中指定的Application的入口 (main函数):

Application中的异常服务函数可以正常运行：

说明对应Application成功实现ROPI(因为Application链接到地址区间0x00008000 ~ 0x00043FFF，同样可以在地址区间0x00044000 ~ 0x0007FFFF正常运行)。

03.注意事项

当前IAR Embedded Workbench for Arm中ROPI实现有如下相关限制：

如果ROPI程序中有需要跳转到其他非ROPI程序中使用绝对地址运行的函数(比如对应函数运行在RAM的绝对地址)，那么在ROPI程序中需要使用__absolute关键字声明对应函数：

调试ROPI程序的时候，如果ROPI程序实际运行地址区间跟ROPI程序链接的地址区间不一样的时候，需要配置对应的Offset(对应Offset的值是程序实际运行地址减去程序链接的地址)。另外Debug info only选项表示调试器只加载对应调试信息，而不下载对应程序：