STM32将变量定义到指定RAM地址

本实验基于STM32CubeIDE，ST 推出的免费集成编译环境，基于 Eclipse 开源框架，集成了 GCC、GDB 等免费的编译器、链接器。需要对内存进行细分时，比如指定变量/函数/文件到特殊地址等等，可以通过“*.ld”链接文件来实现。

ld即Linked Script，ST官网有一个官方文档 LAT0816 用来简单介绍ld如何编写。使用IDE创建好功能之后，项目根目录有两个文件`STM32XXX_FLASH.ld` 和 `STM32XXX_RAM.ld`，我们需要修改的是前者，后者是在线调试时使用，修改后对编译的结果没有作用。

ld文件分`MEMORY`和`SECTIONS`两个章节，前者用来定义存储器的分段结构，后者可以视作一个逻辑层面的段，用来将变量标识到指定位置。

以下是STM32H753的`MEMORY`：
```
MEMORY
{
  FLASH (rx)     : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048K
  DTCMRAM (xrw)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
  RAM_D1 (xrw)   : ORIGIN = 0x24000000, LENGTH = 512K
  RAM_D2 (xrw)   : ORIGIN = 0x30000000, LENGTH = 288K
  RAM_D3 (xrw)   : ORIGIN = 0x38000000, LENGTH = 64K
  ITCMRAM (xrw)  : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 64K
}
```
上面为默认的配置，也可以对其进行分割、指定自定义的标识。可以在```SECTIONS```章节中指定一个段，用来将变量保存在D2区域：
```
  .ram_d2 :
  {
    . = ALIGN(4);
    _ram_d2_start = .;
    *(.ram_d2)
    . = ALIGN(4);
    _ram_d2_end = .; 
  } >RAM_D2
```
然后按如下定义变量：
```
__attribute__((section(".ram_d2"))) uint8_t key[8] = {};
```
同时，要__在IDE中清除掉之前编译的缓存__，否则修改不会生效。 观察build analyzer，变量已经分配到RAM D2区域：
![RAM区域](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/88260817b9998b701fa2aaff27681d40.png)

### 未解决的问题

在某些时候，需要把变量指定到RAM的某位置，同时还带有初始值，比如带初始值的全局变量。针对这个应用场景，就需要将变量编译到Flash里，在运行阶段，再加载到RAM_D2。LAT0816有介绍：
> * VMA（the virtual memory address）：这是运行输出文件时，该 section 的地址。VMA 是可选项，可以不设置。
* LMA（load memory address）：这是加载 section 时的地址。

> 在大多数情况下，这两个地址是相同的。当然也可以不相等，比如下面的例子就是 LMA 和 VMA 不同的案例：
数据段被加载到 ROM 中，然后在程序启动时复制到 RAM 中（通常用于初始化全局变量）。此时 ROM 地址就是LMA，RAM 地址就是 VMA。

同时，文档中给出了一个示例：
```
/* Initialized data sections into "RAM" Ram type memory */
 .data :
 {
  . = ALIGN(4);
  _sdata = .; /* create a global symbol at data start */
  *(.data) /* .data sections */
  *(.data*) /* .data* sections */
  . = ALIGN(4);
  _edata = .; /* define a global symbol at data end */
 } >RAM AT> FLASH
```
即“.data”因为有“>RAM AT> FLASH”的修饰，表示`.data`段的 VMA 为 RAM，LMA 为 FLASH。即`.data` 段的内容会放在 FLASH 中，但是运行时，会加载到 RAM 中。

基于上述RAM_D2的示例，同样加上修饰符：`>RAM_D2 AT> FLASH`，在build analyzer窗口中观察到变量的LMA已经分配到flash，但烧录到MCU中测试，赋予的初始值并没有生效。
![RAM区域2](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/badfd8af385ece20f087f7d684704659.png)

经过反复折腾均告失败，由此先在这里打个记号吧，等后续解决之后再来更新。现阶段只能手动拷贝了。

## 2025-04-25 补充：带初值的变量初始化

时隔一年多，无意中解决了这个问题。在STM32CubeIDE项目中，有一个startup_xxxx.s文件（例如startup_stm32f407xx.s）它是一个汇编语言编写的启动文件，是微控制器上电后执行的第一个代码，负责初始化硬件并引导进入主程序。也就是说，在进入```main()```函数之前，这个.s文件做了很多准备工作，包括但不限于设置栈指针、电源模式切换、时钟初始化、拷贝```.data```段、清零```.bss```段、调用构造函数、跳转到```main()```。

思考一下，创建默认工程时，在默认RAM区定义一个带初值的全局变量，在运行时它的初始值总是能被正确的设置，这是怎么做到的呢？没错，.s文件默认做了这些工作，在```Reset_Handler```中，有以下几行关键代码：
```
ldr r0, =_sdata  /* SRAM中的.data段起始地址 */
ldr r1, =_edata  /* SRAM中的.data段结束地址 */
ldr r2, =_sidata /* Flash中.data段的初始值地址 */
movs r3, #0      /* 偏移量清零 */
b LoopCopyDataInit

CopyDataInit:
  ldr r4, [r2, r3]  /* 从Flash读取数据 */
  str r4, [r0, r3]  /* 写入SRAM */
  adds r3, r3, #4   /* 偏移量+4 */

LoopCopyDataInit:
  adds r4, r0, r3
  cmp r4, r1        /* 检查是否复制完毕 */
  bcc CopyDataInit  /* 若未完成，继续循环 */
```
需要特别注意的是，```_sdata```、```_edata``` 和```_sidata```都是ld文件中分别在各个段（SECTION）定义的符号，如果要自定义一个SECTION，这些标记不能与其他SECTION中定义的同名，否则将产生符号冲突。在上述中，RAM_D2的起止地址分别定义为```_ram_d2_start```和```_ram_d2_end```，与RAM_D1中定义的```_sdata```、```_edata```保持区别。

所有初始化的全局变量的初始值都保存在 Flash（AT> FLASH） 中，但会按照链接脚本中定义的顺序依次存放。如果要使用多个SECTION，也需要定义多个```_sidata```，用户来获取该SECTION中变量初值在FLASH中的地址，否则无法确定执行拷贝的参数。正确的示例：
```
.data_ram_d1 : { ... } >RAM_D1 AT> FLASH  /* 初始值在Flash的连续区域1 */
.data_ram_d2 : { ... } >RAM_D2 AT> FLASH  /* 初始值在Flash的连续区域2 */

/* 定义初始值在Flash中的加载地址 */
_sidata_ram_d1 = LOADADDR(.data_ram_d1);  /* D1变量初始值在Flash中的地址 */
_sidata_ram_d2 = LOADADDR(.data_ram_d2);  /* D2变量初始值在Flash中的地址 */
```

理解了以上背景，就知道之前给RAM_D2区域定义的全局变量赋予的初值，为什么没有生效了。解决办法很简单，就是在.s文件中，加上拷贝的逻辑：
```
/* 以下代码需要放在.s文件里的Reset_Handler代码块中，以使得复位后自动执行 */

/* 拷贝RAM_D2的.data段 */
ldr r0, =_sdata_ram_d2      /* 目标地址：RAM_D2起始 */
ldr r1, =_edata_ram_d2      /* 结束地址 */
ldr r2, =_sidata_ram_d2     /* Flash中的初始值地址 */
movs r3, #0                 /* 偏移量清零 */
b LoopCopyDataInit          /* 跳转到公共拷贝逻辑 */
```