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。

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：

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：

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：

   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：

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：

下面启动代码里面的Reset_Handler实现不支持ROPI：

    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：

   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：

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)。

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：

总结

本文主要以Arm Cortex-M为例介绍了如何在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI，更多关于在IAR Embedded Workbench for Arm中实现ROPI的信息，欢迎联系IAR中国。

参考文献：

1. https://www.vector.com/us/en/products/application-areas/embedded-software/embedded-trends/ota-update-approaches/
2. IAR Embedded Workbench for Arm C/C++ Development Guide
3. Arm Cortex™-M4 Devices Generic User Guide
4. NXP AN5163 Load Position-Independent Code (PIC) on a Kinetis Platform Using the IAR EWARM Compiler
5. https://mypages.iar.com/s/article/Execute-in-RAM-after-copying-from-Flash-or-ROM?language=en_US
6. https://www.iar.com/knowledge/webinars-and-events/all-you-need-to-know-about-position-independent-code-and-data
7. https://mypages.iar.com/s/article/Position-independent-code-and-data-ROPI-and-RWPI
8. IAR Embedded Workbench for Arm C-SPY Debugging Guide