如何在晶心平臺(tái)實(shí)作ROM patch

筆者曾協(xié)助多家公司工程師，在AndesCore™上發(fā)展firmware。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)客戶開發(fā)Non-OS的程序代碼，最常遇到的問(wèn)題在于開發(fā)者不知如何撰寫linker script。網(wǎng)絡(luò)上有GNU ld的使用文件，但是linker script的范例太少，尤其開發(fā)者需要撰寫進(jìn)階的linker script，常常不知如何下手。

本篇文章我們分享如何實(shí)作ROM patch。使用晶心CPU建構(gòu)的embedded system，一般具有CPU、外圍IP及RAM、ROM。部份客戶使用ROM code開機(jī)，程序代碼放在ROM內(nèi)，data section放在SRAM里。ROM code的特性是成本低，跟著IC光罩一起生產(chǎn)，當(dāng)IC制作完成即不可修改，若有制作上的錯(cuò)誤或是程序代碼邏輯上的錯(cuò)誤，只能用ROM patch的方式修補(bǔ)。也就是將需要修補(bǔ)的程序代碼放到小容量的flash里。這就是我們今天要分享的技術(shù)。

1. 主程序架構(gòu)
首先介紹主程序的架構(gòu)。IC的Memory layout如下圖。

圖表1  主程序的memory layout圖
紅色框線的部份，為主程序編譯的范圍。主程序main會(huì)呼叫到func1、func2和func3這3個(gè)function。
在上圖中，黃色區(qū)域是IC的ROM，這部份的程序是IC制作出來(lái)即不可以改變。綠色部份是flash。在圖中，flash分成2區(qū)，一個(gè)是jump_table，存放func1~func3的地址。剩余的空間FUNC_PATCH，預(yù)留給patch使用。

為了要修補(bǔ)ROM內(nèi)的function，所以規(guī)劃出jump_table區(qū)域，原本都是指向ROM的function。如果ROM里的部份function損壞或是需要改寫，就把jump_table改為指向FUNC_PATCH里新建的function。

1.1 源代碼
主程序的程序代碼如下：(main.c)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int func1(int);
int func2(int);
int func3(int);
int num1=1;
int num2=2;
int num3=3;

typedef struct strfunptr {
   int (*func_a)(int);
   int (*func_b)(int);
   int (*func_c)(int);
}sfptr;

sfptr jump_table __attribute__ ((section ("FUNC_TABLE")))= {func1, func2, func3};

int main(void) {

 printf("func1(30)=%dn",jump_table.func_a(30));
 printf("func2(30)=%dn",jump_table.func_b(30));
 printf("func3(30)=%dn",jump_table.func_c(30));

 return EXIT_SUCCESS;
}

int func1(int x){
 return x*num1;
}
int func2(int x){
 return x*num2;
}
int func3(int x){
 return x*num3;
}[!--empirenews.page--]

上面的程序代碼中，第16行的程序代碼__attribute__ ((section ("FUNC_TABLE")))，作用是將jump_table放在特定的”FUNC_TABLE”section里。

1.2 主程序linker script (僅列需要修改的部份)

  FUNC_TABLE 0x510000 :
    {
    *(.FUNC_TABLE)
     }

Flash的地址由0x510000起，將FUNC_TABLE固定在flash的最開頭，語(yǔ)法如上。

1.3 主程序執(zhí)行結(jié)果

func1(30)=30
func2(30)=60
func3(30)=90

2. 經(jīng)過(guò)Patch之后的架構(gòu)圖
假設(shè)ROM里的func2損壞，要改用flash里的func2。需要更改指向func2的指標(biāo)，及func2的內(nèi)容。如下圖：

圖表2 ROM patch的memory layout圖

用紅色框線標(biāo)起來(lái)的地方，表示為patch編譯的范圍。其中jump table在這里重新編譯，指向新的地址。

2.1 實(shí)作方法
(1) 導(dǎo)出主程序的symbol table。
在主程序的Linker flags 加上-Wl,--mgen-symbol-ld-script=export.txt ，ld 會(huì)產(chǎn)生export.txt這個(gè)檔案, 這個(gè)檔案包含了一個(gè)SECTION block以及許多變數(shù)的地址。如下圖所示

圖表3 主程序的symbol

Linker script在import Main program的symbols時(shí)，除了需要修改的func2不要import之外，其他的symbols全部要import進(jìn)來(lái)。(將export.txt刪去這一行： func2 = 0x005001c4;  /* ./main.o */)

(2) patch在編譯之前，先匯入主程序的symbol table。(將export.txt檔案放在一起編譯)。Patch的linker script要匯入主程序的symbol，寫法如下面紅色字體。[!--empirenews.page--]

ENTRY(_start)
/* Do we need any of these for elf?
   __DYNAMIC = 0;    */
INCLUDE "..export.txt" 
SECTIONS
{

(3) patch的程序代碼里如下，沒(méi)有main function，也不要加入startup files。改寫func2。func2放在flash的FUNC_PATCH section。并且將jump_table里的func2，改成指向新的func2。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

extern int func1(int);
extern int func3(int);
int func2(int) __attribute__ ((section ("FUNC_PATCH")));
extern int num2;

typedef struct strfunptr {
   int (*func_a)(int);
   int (*func_b)(int);
   int (*func_c)(int);
}sfptr;

sfptr jump_table __attribute__ ((section ("FUNC_TABLE")))= {func1, func2, func3};

int func2(int x){
 return x*num2*100;
}

 (4) patch的linker script，加入FUNC_PATH在jump_table之后。
FUNC_PATCH 0x510020 :
    {
    *(.FUNC_PATCH)
     }

3. 如何除錯(cuò)
首先，將程序代碼存放在IC的ROM及flash里。(本文為了示范，我們的做法是在AndeShape™ ADP-XC5的FPGA板上，用RAM模擬ROM及flash，分別將主程序和patch的bin文件restore到板子上。)

當(dāng)gdb debug時(shí)，載入patch 的symbol。以下節(jié)錄gdb指令。

core0(gdb) file mainprog.adx
core0(gdb) add-symbol-file patch.adx  0x500000 -s FUNC_TABLE 0x510000 -s FUNC_PATCH 0x510020
core0(gdb) set $pc=0x500000
core0(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x50010c: file ../main.c, line 20.
core0(gdb) c
Breakpoint 1, main () at ../main.c:20
20              printf("func1(30)=%dn",jump_table.func_a(30));
core0(gdb) s
func1 (x=30) at ../main.c:28
28              return x*num1;
core0(gdb) n
29      }
core0(gdb) s
main () at ../main.c:21
21              printf("func2(30)=%dn",jump_table.func_b(30));
core0(gdb) s
func2 (x=30) at ../patchprog.c:24
24              return x*num2*100;
core0(gdb)

上面過(guò)程中，先加載main的symbol，再加載patch的symbol及debug information。"add-symbol-file patch.adx  0x500000 -s FUNC_TABLE 0x510000 -s FUNC_PATCH 0x510020"是將patch section的symbol及debug information也載入gdb以debug。讀者可以在gdb里，打"help add-symbol-file"查閱add-symbol-file的用法。

3.1 主程序patch后的執(zhí)行結(jié)果

func1(30)=30
func2(30)=6000
func3(30)=90

4. 結(jié)語(yǔ)
目前晶心科技使用GNU的toolchain，其功能非常強(qiáng)大。讀者可多動(dòng)手試試不同的linker script寫法，使得開發(fā)firmware更有彈性及效率。

5. 參考數(shù)據(jù)
gnu linker ld manual
http://sourceware.org/binutils/docs-2.22/ld/index.html

6. 作者簡(jiǎn)歷
賴歆雅，女，臺(tái)灣省新竹縣人。1977年出生，2002年畢業(yè)于臺(tái)灣成功大學(xué)電機(jī)研究所VLSI/CAD組碩士班。
2002~2005年就讀臺(tái)灣成功大學(xué)電機(jī)研究所VLSI/CAD組博士班(肄業(yè))。
2005~2010年任職于工業(yè)技術(shù)研究院，擔(dān)任副工程師，負(fù)責(zé)Linux上的軟件開發(fā)。
2010~2012年任職于晶心科技，擔(dān)任技術(shù)經(jīng)理，負(fù)責(zé)客戶的技術(shù)支持。