痞子衡嵌入式：IVT裡的不同entry設定可能會造成i.MXRT1xxx系列啟動App後發生異常跑飛

痞子衡發表於2020-09-11
APP

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是IVT裡的不同entry設定可能會造成i.MXRT1xxx系列啟動App後發生異常跑飛問題的分析解決經驗。

　　事情緣起恩智浦官方論壇上的一個疑問帖 《RT1015 dev_cdc_vcom_freertos reset entry failed》，這是客戶QISDA遇到的問題，由痞子衡的同事 - 非常細心負責的Kerry小姐姐將問題整理出來併發了貼，帖子裡做了詳盡的問題描述以及各種測試結果。看完長帖後，痞子衡第一猜想就是跟App棧設定有關，最終也確實是這個原因。那麼為什麼棧設定會出問題呢？且聽痞子衡細聊：

一、問題描述

　　讓我們先來整理一下帖子裡的問題現象，客戶在RT1015-EVK上測試了恩智浦官方SDK裡的兩個例程，一個是簡單的hello_world，另一個是複雜的dev_cdc_vcom_freertos，這兩個例程在不同IDE、IVT中entry值組合下現象不一致：

測試App IVT中entry 測試IDE App執行結果
hello_world 中斷向量表起始地址/
復位向量函式地址		 IAR EWARM/
MCUXpresso IDE		 正常
dev_cdc_vcom_freertos 中斷向量表起始地址 IAR EWARM/
MCUXpresso IDE		 正常
dev_cdc_vcom_freertos 復位向量函式地址 IAR EWARM 正常
dev_cdc_vcom_freertos 復位向量函式地址 MCUXpresso IDE 異常跑飛

　　根據上表結果，其實我們很難得出一個有效推論，只能說這個異常結果在特定的App, entry值, MCUXpresso IDE下才能復現。

二、原因探究

　　既然暫時看不出原因，那我們先做一些準備工作吧。我們把三個影響因子（App, entry值, IDE）的差異先整理出來：

2.1 兩個App的不同連結分配

　　兩個App都來自SDK，是經過官方詳盡測試的，所以我們不去懷疑App本身的功能異常。它們的差異主要在連結分配上。以IAR為例，我們只看flexspi_nor build，在連結檔案中預設分配的堆、棧大小均為1KB：

/* 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;
}

　　hello_world例程因為比較簡單，所以用直接用了預設的堆疊大小，而dev_cdc_vcom_freertos例程比較複雜，堆疊做了額外調整，棧增大到了8KB。

　　此外我們還注意到hello_world例程將其RW, ZI, 堆疊全部放進了32KB的DTCM；而dev_cdc_vcom_freertos例程則將RW, ZI放入了64KB OCRAM，只將堆疊放進了DTCM：

define symbol m_data_start             = 0x20000000;
define symbol m_data_end               = 0x20007FFF;

define symbol m_data2_start            = 0x20200000;
define symbol m_data2_end              = 0x2020FFFF;

define region DATA_region = mem:[from m_data_start to m_data_end-__size_cstack__];
define region DATA2_region = mem:[from m_data2_start to m_data2_end];
define region CSTACK_region = mem:[from m_data_end-__size_cstack__+1 to m_data_end];

// 適用hello_world例程
place in DATA_region                        { block RW };
place in DATA_region                        { block ZI };
place in DATA_region                        { last block HEAP };
place in DATA_region                        { block NCACHE_VAR };
place in CSTACK_region                      { block CSTACK };

// 適用dev_cdc_vcom_freertos例程
place in DATA2_region                       { block RW };
place in DATA2_region                       { block ZI };
place in DATA_region                        { last block HEAP };
place in DATA_region                        { block NCACHE_VAR };
place in CSTACK_region                      { block CSTACK };

2.2 entry值在BootROM中的使用

　　再說IVT中的entry，痞子衡在i.MXRT1xxx系列啟動那些事系列文章中的 《Bootable image格式與載入》 的3.2節介紹過IVT結構以及其作用，IVT是關鍵啟動頭，指導了BootROM去搬移App以及載入執行，其中entry成員主要用於跳轉執行。

　　為什麼這個entry值既可以是中斷向量表（Vector Table）起始地址也可以是復位向量（Reset_Handler）函式地址呢？這取決於BootROM中是怎麼利用這個entry值的，下面函式即是BootROM中最終跳轉函式：

void jump_to_entry(uint32_t entry)
{
    typedef void (*application_callback_t)(void);
    static application_callback_t s_app_callback;

    pu_irom_mpu_disable();

    __DMB();
    __DSB();
    __ISB();

    // The entry point is the absolute address of the call back function
    if ((uint32_t)entry & 1)
    {
        s_app_callback = (application_callback_t)entry;
    }
    // The entry point is the base address of vector table
    else
    {
        static uint32_t s_stack_pointer;
        // Ensure Core read vector table for destination instead of register
        volatile uint32_t *vector_table = (volatile uint32_t *)entry;

        s_stack_pointer = vector_table[0];
        s_app_callback = (application_callback_t)vector_table[1];

        // Update Stack pointer
        __set_MSP(s_stack_pointer);
        __set_PSP(s_stack_pointer);
    }

    __DSB();
    __ISB();

    // Jump to user application in the end
    s_app_callback();

    // Should never reach here
    __NOP();
    __NOP();
}

　　從上面的跳轉函式jump_to_entry()實現可以看出，entry值如果是復位函式地址（即奇地址），那麼BootROM直接跳轉到復位函式執行；如果entry值是中斷向量表首地址（即偶地址），BootROM會先將當前SP重設到App指定的棧頂，然後再跳轉到復位函式。

　　好的，現在我們知道了IVT中不同的entry值差異在哪了。

2.3 不同IDE下startup流程

　　因為涉及到兩個不同IDE，即IAR和MCUXpresso IDE，所以我們分別看一下這兩個IDE下的startup實現。我們知道main函式之後的程式碼基本是IDE無關的，而startup卻是因編譯器而異。

　　痞子衡以i.MXRT1010的SDK2.8.2包裡的例程為例，先用IAR開啟其中的dev_cdc_vcom_freertos例程，找到工程下的startup_MIMXRT1011.s檔案，看它的Reset_Handler實現:

__vector_table
        DCD     sfe(CSTACK)
        DCD     Reset_Handler

        DCD     NMI_Handler                                   ;NMI Handler
        DCD     HardFault_Handler                             ;Hard Fault Handler
        ; ...
__Vectors_End

        THUMB

        PUBWEAK Reset_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
        CPSID   I               ; Mask interrupts
        LDR     R0, =0xE000ED08
        LDR     R1, =__vector_table
        STR     R1, [R0]
        LDR     R2, [R1]
        MSR     MSP, R2
        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        CPSIE   I               ; Unmask interrupts
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

　　IAR版本Reset_Handler主要分四步: 重設VTOR、重設SP、執行SystemInit（關看門狗，關Systick，處理Cache）、執行IAR庫函式__iar_program_start（data/bss/ramfunc段初始化，跳轉到main）。

　　再用MCUXpresso IDE開啟同樣的dev_cdc_vcom_freertos例程，找到工程下的startup_mimxrt1011.c檔案，看它的ResetISR實現:

extern void _vStackTop(void);

__attribute__ ((used, section(".isr_vector")))
void (* const g_pfnVectors[])(void) = {
    // Core Level - CM7
    &_vStackTop,                       // The initial stack pointer
    ResetISR,                          // The reset handler
    NMI_Handler,                       // The NMI handler
    HardFault_Handler,                 // The hard fault handler
    // ...
}; /* End of g_pfnVectors */

__attribute__ ((section(".after_vectors.reset")))
void ResetISR(void) {
    __asm volatile ("cpsid i");

    SystemInit();

    // Copy the data sections from flash to SRAM.
    unsigned int LoadAddr, ExeAddr, SectionLen;
    unsigned int *SectionTableAddr;

    // Load base address of Global Section Table
    SectionTableAddr = &__data_section_table;

    // Copy the data sections from flash to SRAM.
    while (SectionTableAddr < &__data_section_table_end) {
        LoadAddr = *SectionTableAddr++;
        ExeAddr = *SectionTableAddr++;
        SectionLen = *SectionTableAddr++;
        data_init(LoadAddr, ExeAddr, SectionLen);
    }

    // At this point, SectionTableAddr = &__bss_section_table;
    // Zero fill the bss segment
    while (SectionTableAddr < &__bss_section_table_end) {
        ExeAddr = *SectionTableAddr++;
        SectionLen = *SectionTableAddr++;
        bss_init(ExeAddr, SectionLen);
    }

    __asm volatile ("cpsie i");

    // Call the Redlib library, which in turn calls main()
    __main();

    while (1);
}

　　MCUXpresso IDE版本ResetISR主要分三步: 執行SystemInit（重設VTOR，關看門狗，關Systick，處理Cache）、data/bss/ramfunc段初始化、跳轉到main。

　　經過上面對比，看出差異沒有？MCUXpresso IDE相比IAR的startup少了一步重設SP的動作。

2.4 導致異常跑飛的棧錯誤

　　有了前面三節的分析基礎，我們基本可以得出dev_cdc_vcom_freertos例程異常跑飛的原因是發生了棧錯誤。為什麼會發生棧錯誤？這是由於MCUXpresso下的startup中沒有重設SP操作，所以當IVT中的entry是復位向量時，BootROM跳轉到App後依舊延用BootROM中的棧，根據晶片參考手冊System Boot章節裡的資訊，BootROM的棧放在了OCRAM空間（0x20200000 - 0x202057FF），但是dev_cdc_vcom_freertos例程又把RW, ZI段也放進了OCRAM中，因此隨著App的執行對棧的利用（函式呼叫、區域性變數定義）有可能與App中的RW, ZI段資料（全域性變數）互相破壞，程式發生未知跑飛也在意料之中。

　　解決問題的方法是什麼？當然是在MCUXpresso IDE的startup流程中加入重設SP操作，保持與IAR startup流程一致。

__attribute__ ((section(".after_vectors.reset")))
void ResetISR(void) {
    __asm volatile ("cpsid i");

    /* 新增SP重設程式碼 */
    __asm volatile ("MSR msp, %0" : : "r" (&_vStackTop) : );
    __asm volatile ("MSR psp, %0" : : "r" (&_vStackTop) : );

    SystemInit();

    // ...
}

　　至此，IVT裡的不同entry設定可能會造成i.MXRT1xxx系列啟動App後發生異常跑飛問題的分析解決經驗痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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