在晶心平臺實作ROM patch技術分享

筆者曾協助多家公司工程師，在AndesCore上發展firmware.我們發現，當客戶開發NON-OS的程序代碼，最常遇到的問題在于開發者不知如何撰寫linker script.網絡上有GNU ld的使用文件，但是linker script的范例太少，尤其開發者需要撰寫進階的linker script,常常不知如何下手。

本篇文章我們分享如何實作ROM patch.使用晶心CPU建構的embedded system,一般具有CPU、外圍IP及RAM、ROM.部份客戶使用ROM code開機，程序代碼放在ROM內，data secTIon放在SRAM里。ROM code的特性是成本低，跟著IC光罩一起生產，當IC制作完成即不可修改，若有制作上的錯誤或是程序代碼邏輯上的錯誤，只能用ROM patch的方式修補。也就是將需要修補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。

1. 主程序架構

首先介紹主程序的架構。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會呼叫到func1、func2和func3這3個function.

在上圖中，黃色區域是IC的ROM,這部份的程序是IC制作出來即不可以改變。綠色部份是Flash.在圖中，flash分成2區，一個是jump_table,存放func1~func3的地址。剩余的空間FUNC_PATCH,預留給patch使用。

為了要修補ROM內的function,所以規劃出jump_table區域，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

#include

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;

}

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_TABLEsection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，語法如上。

1.3 主程序執行結果

func1(30)=30

func2(30)=60

func3(30)=90

2. 經過Patch之后的架構圖

假設ROM里的func2損壞，要改用flash里的func2.需要更改指向func2的指標，及func2的內容。如下圖：

圖表2:ROM patch的memory layout圖

用紅色框線標起來的地方，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 實作方法

(1) 導出主程序的symbol table.

在主程序的Linker flags 加上-Wl,--mgen-symbol-ld-script=export.txt ,ld 會產生export.txt這個檔案， 這個檔案包含了一個SECTION block以及許多變數的地址。如下圖所示

圖表3:主程序的symbol

Linker script在import Main program的symbols時，除了需要修改的func2不要import之外，其他的symbols全部要import進來。(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。

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

#include

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

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。)