IVT中设入口为复位函数为何有时会引起程序执行异常？

大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是 IVT 里的不同 entry 设置可能会造成 i.MXRT1xxx 系列启动 App 后发生异常跑飞问题的分析解决经验。

事情缘起恩智浦官方论坛上的一个疑问帖 《RT1015 dev_cdc_vcom_freertos reset entry failed》，这是客户 QISDA 遇到的问题，由痞子衡的同事 - 非常细心负责的 Kerry 小姐姐将问题整理出来并发了贴，帖子里做了详尽的问题描述以及各种测试结果。看完长帖后，痞子衡第一猜想就是跟 App 栈设置有关，最终也确实是这个原因。那么为什么栈设置会出问题呢？且听痞子衡细聊：

一、问题描述

让我们先来整理一下帖子里的问题现象，客户在 RT1015-EVK 上测试了恩智浦官方 SDK 里的两个例程，一个是简单的 hello_world，另一个是复杂的 dev_cdc_vcom_freertos，这两个例程在不同 IDE、IVT 中 entry 值组合下现象不一致：

根据上表结果，其实我们很难得出一个有效推论，只能说这个异常结果在特定的 App, entry 值, MCUXpresso IDE 下才能复现。

二、原因探究

既然暂时看不出原因，那我们先做一些准备工作吧。我们把三个影响因子（App, entry 值, IDE）的差异先整理出来：

2.1 两个 App 的不同链接分配

两个 App 都来自 SDK，是经过官方详尽测试的，所以我们不去怀疑 App 本身的功能异常。它们的差异主要在链接分配上。以 IAR 为例，我们只看 flexspi_nor build，在链接文件中默认分配的堆、栈大小均为 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 例程因为比较简单，所以用直接用了默认的堆栈大小，而 dev_cdc_vcom_freertos 例程比较复杂，堆栈做了额外调整，栈增大到了 8KB。

此外我们还注意到 hello_world 例程将其 RW, ZI, 堆栈全部放进了 32KB 的 DTCM；而 dev_cdc_vcom_freertos 例程则将 RW, ZI 放入了 64KB OCRAM，只将堆栈放进了 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];

// 适用 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 };

// 适用 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

再说 IVT 中的 entry，痞子衡在 i.MXRT1xxx 系列启动那些事系列文章中的 《Bootable image 格式与加载》 的 3.2 节介绍过 IVT 结构以及其作用，IVT 是关键启动头，指导了 BootROM 去搬移 App 以及加载执行，其中 entry 成员主要用于跳转执行。

为什么这个 entry 值既可以是中断向量表（Vector Table）起始地址也可以是复位向量（Reset_Handler）函数地址呢？这取决于 BootROM 中是怎么利用这个 entry 值的，下面函数即是 BootROM 中最终跳转函数：

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();
}

从上面的跳转函数 jump_to_entry()实现可以看出，entry 值如果是复位函数地址（即奇地址），那么 BootROM 直接跳转到复位函数执行；如果 entry 值是中断向量表首地址（即偶地址），BootROM 会先将当前 SP 重设到 App 指定的栈顶，然后再跳转到复位函数。

好的，现在我们知道了 IVT 中不同的 entry 值差异在哪了。

2.3 不同 IDE 下 startup 流程

因为涉及到两个不同 IDE，即 IAR 和 MCUXpresso IDE，所以我们分别看一下这两个 IDE 下的 startup 实现。我们知道 main 函数之后的代码基本是 IDE 无关的，而 startup 却是因编译器而异。

痞子衡以 i.MXRT1010 的 SDK2.8.2 包里的例程为例，先用 IAR 打开其中的 dev_cdc_vcom_freertos 例程，找到工程下的 startup_MIMXRT1011.s 文件，看它的 Reset_Handler 实现:

__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: 重设 VTOR、重设 SP、执行 SystemInit（关看门狗，关 Systick，处理 Cache）、执行 IAR 库函数 __iar_program_start（data/bss/ramfunc 段初始化，跳转到 main）。

再用 MCUXpresso IDE 打开同样的 dev_cdc_vcom_freertos 例程，找到工程下的 startup_mimxrt1011.c 文件，看它的 ResetISR 实现:

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: 执行 SystemInit（重设 VTOR，关看门狗，关 Systick，处理 Cache）、data/bss/ramfunc 段初始化、跳转到 main。

经过上面对比，看出差异没有？MCUXpresso IDE 相比 IAR 的 startup 少了一步重设 SP 的动作。

2.4 导致异常跑飞的栈错误

有了前面三节的分析基础，我们基本可以得出 dev_cdc_vcom_freertos 例程异常跑飞的原因是发生了栈错误。为什么会发生栈错误？这是由于 MCUXpresso 下的 startup 中没有重设 SP 操作，所以当 IVT 中的 entry 是复位向量时，BootROM 跳转到 App 后依旧延用 BootROM 中的栈，根据芯片参考手册 System Boot 章节里的信息，BootROM 的栈放在了 OCRAM 空间（0x20200000 - 0x202057FF），但是 dev_cdc_vcom_freertos 例程又把 RW, ZI 段也放进了 OCRAM 中，因此随着 App 的运行对栈的利用（函数调用、局部变量定义）有可能与 App 中的 RW, ZI 段数据（全局变量）互相破坏，程序发生未知跑飞也在意料之中。

解决问题的方法是什么？当然是在 MCUXpresso IDE 的 startup 流程中加入重设 SP 操作，保持与 IAR startup 流程一致。

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

    /* 新增 SP 重设代码 */
    __asm volatile ("MSR msp, %0" : : "r" (&_vStackTop) : );
    __asm volatile ("MSR psp, %0" : : "r" (&_vStackTop) : );

    SystemInit();

    // ...
}