赖歆雅，技术经理，晶心科技股份有限公司
笔者曾协助多家公司工程师，在 AndesCore™上发展 firmware。我们发现，当客户开发 Non-OS 的程序代码，最常遇到的问题在于开发者不知如何撰写 linker script。网络上有 GNU ld 的使用文件，但是 linker script 的范例太少，尤其开发者需要撰写进阶的 linker script，常常不知如何下手。
本篇文章我们分享如何实作 ROM patch。使用晶心 CPU 建构的 embedded system，一般具有 CPU、外围 IP 及 RAM、ROM。部份客户使用 ROM code开机，程序代码放在 ROM 内，data section 放在 SRAM 里。ROM code 的特性是成本低，跟着 IC 光罩一起生产，当 IC 制作完成即不可修改，若有制作上的错误或是程序代码逻辑上的错误，只能用 ROM patch 的方式修补。也就是将需要修补的程序代码放到小容量的 flash 里。这就是我们今天要分享的技术。
1. 主程序架构
首先介绍主程序的架构。IC主的程M序emory layout 如下图。
图表1 主程序的 memory layout 图
红色框线的部份，为主程序编译的范围。主程序 main 会呼叫到 func1、func2
和 func3 这 3 个 function。
在上图中，黄色区域是 IC 的 ROM，这部份的程序是 IC 制作出来即不可以改变。绿色部份是 flash。在图中，flash 分成 2 区，一个是 jump_table，存放 func1~func3的地址。剩余的空间 FUNC_PATCH，预留给 patch 使用。
为了要修补 ROM 内的 function，所以规划出 jump_table 区域，原本都是指向 ROM 的 function。如果 ROM 里的部份 function 损坏或是需要改写，就把 jump_table 改为指向 FUNC_PATCH 里新建的 function。
1.1 源代码
主程序的程序代码如下：(main.c)
1.2 主程序 linker script (仅列需要修改的部份)
Flash 的地址由 0x510000 起，将 FUNC_TABLE 固定在 flash 的最开头，语法如上。
1.3 主程序执行结果
2. 经过Patch之后的架构图
假设ROM里的func2 损坏，要改用flash里的func2。需要更改指向func2的指标，及func2的内容。如下图：
图表2 ROM patch 的 memory layout 图
用红色框线标起来的地方，表示为 patch 编译的范围。其中 jump table 在这里重新编译，指向新的地址。
2.1 实作方法
(1) 导出主程序的 symbol table。
在主程序的 Linker flags 加上-Wl,–mgen-symbol-ld-script=export.txt ，ld 会产生 export.txt 这个档案, 这个档案包含了一个 SECTION block 以及许多变数的地址。如下图所示。
图表 3 主程序的 symbol
Linker script 在 import Main program 的 symbols 时，除了需要修改的 func2不要 import 之外，其他的 symbols 全部要 import 进来。(将 export.txt 删去这一行： func2 = 0x005001c4; /* ./main.o */)
(2) patch 在编译之前，先汇入主程序的 symbol table。(将 export.txt 档案放在一起编译)。Patch 的 linker script 要汇入主程序的 symbol，写法如下面红色字体。
(3) patch 的程序代码里如下，没有 main function，也不要加入 startup files。改写 func2。func2 放在 flash 的 FUNC_PATCH section。并且将 jump_table里的 func2，改成指向新的 func2。
(4) patch 的 linker script，加入 FUNC_PATH 在 jump_table 之后。
3. 如何除错
首先，将程序代码存放在 IC 的 ROM 及 flash 里。(本文为了示范，我们的做法是在 AndeShape™ ADP-XC5 的 FPGA 板上，用 RAM 模拟 ROM 及 flash，分别将主程序和 patch 的 bin 文件 restore 到板子上。)
当 gdb debug 时，载入 patch 的 symbol。以下节录 gdb 指令。
上面过程中，先加载 main 的 symbol，再加载 patch 的 symbol 及 debug information。”add-symbol-file patch.adx 0x500000 -s FUNC_TABLE 0x510000 -s FUNC_PATCH 0x510020″是将 patch section 的symbol 及 debug information 也载入 gdb 以 debug。读者可以在 gdb 里，打”help add-symbol-file”查阅 add-symbol-file 的用法。
3.1 主程序 patch 后的执行结果
4. 结语
目前晶心科技使用GNU的toolchain，其功能非常强大。读者可多动手试试不同的linker script写法，使得开发firmware更有弹性及效率。
5. 参考数据
gnu linker ld manual
http://sourceware.org/binutils/docs-2.22/ld/index.html
6. 作者简历
赖歆雅，女，台湾省新竹县人。1977 年出生，2002 年毕业于台灣成功大学电机研究所 VLSI/CAD 组硕士班。
2002~2005 年就读台灣成功大学电机研究所 VLSI/CAD 组博士班(肄业)。
2005~2010 年任职于工业技术研究院，担任副工程师，负责 Linux 上的软件开发。
2010~2012 年任职于晶心科技，担任技术经理，负责客户的技术支持。