嵌入式IDE(1)：IAR中ICF链接文件详解和实例分析

07-11 1715阅读

最近在使用NXP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，而且生成的链接脚本也是GCC规范的连接脚本。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。

嵌入式IDE(1)：IAR中ICF链接文件详解和实例分析
（图片来源网络，侵删）

文章目录

  • 1 内存映射
  • 2 ICF语法分析
    • 2.1 工程的ICF文件
    • 2.2 define [exported] symbol和isdefinedsymbol
    • 2.3 define memory、define region、区域表达式和define block
    • 2.4 initialize by copy和do not initialize
    • 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：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
      FlashNOR Flash0x300000000x1000000
      RAMSDRAM0x800000000x3000000
      RAMNCACHE_REGION0x830000000x1000000
      RAMSRAM_DTC_cm70x200000000x40000
      RAMSRAM_ITC_cm70x00x40000
      RAMSRAM_OC10x202400000x80000
      RAMSRAM_OC20x202c00000x80000
      RAMSRAM_OC_ECC10x203400000x10000
      RAMSRAM_OC_ECC20x203500000x10000

      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、OC2、OC_ECC1和OC_ECC2。
      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SEMC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__在其它地方没有定义，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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