NVMe-eMMC Bridge 芯片固件开发（四）：空间优化技术详解

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1. 内存资源约束与挑战

BayBridge 芯片基于 SPARC LEON2 架构，内置 SRAM 空间仅为 160KB。在这有限的空间内需要容纳：

  • Bootloader 代码（约 10-12KB）
  • Firmware 代码 + 只读数据（约 80-100KB）
  • 运行时数据（全局变量、BSS 段）
  • 任务队列（32 x 2 个 eMMC 通道）
  • 堆栈空间
  • 固件参数区（1KB）
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+---------------------------+ 0x40000000
|      Trap Table           | 1KB
+---------------------------+
|      .text (代码段)        | ~80KB
+---------------------------+
|      .rodata (只读数据)    | ~10KB
+---------------------------+
|      .data (已初始化数据)   | ~5KB
+---------------------------+
|      .bss (未初始化数据)    | ~20KB
+---------------------------+
|      Stack Space          | ~40KB
+---------------------------+
|      Frame Space          | 128B
+---------------------------+
|      fw_param (固件参数)   | 1KB
+---------------------------+ 0x40028000 (160KB)

2. Linker Script 内存布局设计

2.1 Firmware Linker Script 分析

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/* fw_sys.lds */

OUTPUT_ARCH(sparc)
__DYNAMIC = 0;

MEMORY
{
  ram : ORIGIN = 0x40000000, LENGTH = 160K
}

SECTIONS
{
  /* ===== 代码段 ===== */
  .common_text :
  {
    _data_start = . ;
    _common_text_start = . ;
    . = ALIGN(0x4);
    
    /* Trap Table 必须在最前面 (地址 0x40000000) */
    src/system/trap/trap_table.ao(.text)
    src/system/trap/*.ao(.text)
    
    /* 其他代码 */
    *(.text)
    
    /* 只读数据紧跟代码段 */
    _rodata_start = . ;
    *(.rodata*)
    *(.gnu.linkonce.r*)
    *(.init)
    *(.fini)
    *(.lit)
    *(.shdata)
    . = ALIGN(0x4);
  } > ram
  
  _common_text_size = SIZEOF(.common_text);
  _common_text_end = _common_text_start + _common_text_size;

  /* ===== 已初始化数据段 ===== */
  .data : AT (_common_text_start + _common_text_size)
  {
    . = ALIGN(0x4) + 0x8;  /* 8 字节保护间隙 */
    *(.data)
    . = ALIGN(0x4);
  } > ram
  
  _data_size = SIZEOF(.data) + _common_text_size;
  _data_end = _data_start + _data_size;

  /* ===== BSS 段 ===== */
  .bss :
  {
    _bss_start = . ;
    . = ALIGN(0x4) + 0x8;  /* 8 字节保护间隙 */
    *(.bss)
    . = ALIGN(0x4);
  } > ram
  
  _bss_size = SIZEOF(.bss);
  _bss_end = _bss_start + _bss_size;

  /* ===== 堆栈段 ===== */
  .stack :
  {
    _stack_bottom = . ;
    . = ALIGN(0x4) + 0x10;
  } > ram
}

2.2 Bootloader 多版本支持

项目为不同启动场景设计了独立的 Linker Script：

Linker Script ORIGIN 用途
boot_rom.lds 0x00000000 内置 ROM 启动
boot_flash.lds 0x50000000 SPI Flash XIP 启动
fw_sys.lds 0x40000000 RAM 中运行的 Firmware
fw_simu_ram.lds 0x40000000 仿真调试版本

3. 数据结构紧凑设计

3.1 位域 (Bit Field) 优化

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// card.h - CID 结构使用位域节省空间
typedef struct {
  u8   ManufacturerId;                // [127:120]
  u8   Reserved:6;                    // [119:114] - 仅 6 bits
  u8   DeviceType:2;                  // [113:112] - 仅 2 bits
  u8   OemId;                         // [111:104]
  u8   ProductName[6];                // [103:56]
  u8   ProductRevision;               // [55:48]
  u8   ProductSerialNumber[4];        // [47:16]
  u8   ManufacturingDate;             // [15:8]
  u8   Crc:7;                         // [7:1] - 仅 7 bits
  u8   NotUsed:1;                     // [0:0] - 仅 1 bit
} card_cid_struct;  // 总大小: 16 字节

3.2 Packed 结构体

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// system.h - 固件参数结构使用 packed 属性
typedef struct {
    // dw0 - 4 个字节分解为多个字段
    u32 manufacture_id: 8;
    u32 oem_id: 8;
    u32 fw_download_mode: 8;
    u32 fw_download_mode_rev: 8;
    
    // dw1
    u32 fw_update_level: 4;
    u32 fw_security_level: 4;
    u32 resv_1_1: 24;
    
    // ... 更多字段 ...
    
    // dw100 - 位域混合使用
    u32 emmc_io_ext_internal: 4;
    u32 main_voltage_ext_internal: 4;
    u32 resv_100_1: 16;
    u32 pcie_sideband_io_vol: 1;
    u32 resv_100_3: 7;
    
} __attribute__((packed, aligned(4))) fw_param_t;

优化效果：packed 属性确保结构体成员无间隙对齐，aligned(4) 保证 4 字节对齐以满足 SPARC 访问要求。

3.3 任务信息结构优化

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// command_queue.h - 任务结构体精简设计
typedef struct {
    u64 prp1;           // 8 bytes - PRP Entry 1
    u64 prp2;           // 8 bytes - PRP Entry 2
    u64 address;        // 8 bytes - eMMC LBA
    u16 block_len;      // 2 bytes - 块数量
    u16 nvme_sq_id;     // 2 bytes - SQ ID
    u16 nvme_cmd_id;    // 2 bytes - Command ID
    u8  direction;      // 1 byte  - 读/写方向
    u8  fused_flag;     // 1 byte  - 跨 eMMC 标志
    u8  next_pointer;   // 1 byte  - 链表指针
    u8  start_card;     // 1 byte  - 起始 eMMC
} task_info_struct;     // 总大小: 34 bytes

// 任务状态使用 1 字节枚举
#define EMPTY           0x00
#define PRE_CANDIDATE   0x01
#define CANDIDATE       0x02
#define EXECUTING       0x03
#define COMPLETED       0x04
#define READY           0x05
#define ERR_STATUS      0x7F

内存占用计算：

  • 每个任务：34 bytes
  • 两个 eMMC 通道各 32 深度：34 × 32 × 2 = 2,176 bytes
  • 任务状态数组：1 × 32 × 2 = 64 bytes
  • 总计约 2.2KB

4. 静态内存分配策略

4.1 全局数组预分配

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// 任务队列 - 静态分配，避免动态内存管理
task_info_struct emmc_firmware_task_queue[2][BB_CQ_DEPTH_DEFINE];
u8 emmc_firmware_task_status_flag[2][BB_CQ_DEPTH_DEFINE];
u8 global_emmc_firmware_task_status_map[2][BB_CQ_DEPTH_DEFINE];
u8 global_emmc_firmware_task_status_map_index[2];

// 深度配置 (config.h)
#define BB_CQ_DEPTH_DEFINE      0x20  // 32 深度
#define BB_NON_CQ_DEPTH_DEFINE  0x20

4.2 固定大小缓冲区

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// controller.h - 缓冲区大小定义
#define DATA_BUFFER_SIZE        (4*1024)   // 4KB - Admin 命令数据
#define CMD_BUFFER_SIZE         (1024)     // 1KB - NVMe 命令缓存
#define PRP_SIZE                (4*1024)   // 4KB - 页面大小
#define PRP_LIST_SIZE           (4*512)    // 2KB - PRP List 最大
#define DATA_BLOCK_SIZE         512        // 512B - eMMC 块大小

// firmware_downloader.h - 固件下载缓冲区
#define FW_ARRAY_SIZE (BB_RAM_SIZE - (6*1024))  // 160KB - 6KB = 154KB

4.3 固件参数区设计

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// 固件参数区位于 RAM 顶部 1KB
#define fw_param (*(volatile fw_param_t*)(0x40000000 + (BB_RAM_SIZE - 1024)))

/*
 * 内存布局:
 * 
 * 0x40027C00 - 0x40028000: fw_param (1KB)
 *   - Bootloader 从 SPI Flash/eMMC 复制固件参数到此区域
 *   - Firmware 运行时直接访问，无需额外拷贝
 *
 * 0x40027B00 - 0x40027C00: Frame Space (256B)
 *   - 函数调用栈帧
 *
 * 0x40027A00 - 0x40027B00: Stack Top (可变)
 *   - 向下增长的堆栈
 */

5. Log 字符串空间优化（重点）

在嵌入式固件中，调试打印的字符串常量会占用 .rodata 段，属于固件二进制的一部分。对于 160KB 的空间限制，字符串优化至关重要。

5.1 问题分析：字符串的空间代价

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    字符串常量在固件中的占用                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│  源代码:                                                                │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │ db_printf("ERR: cmd44_cq_set_task_params failed with 0x%X\n"); │    │
│  │ db_printf("ERR: cmd45_cq_set_task_address failed with 0x%X\n"); │    │
│  │ db_printf("ERR: cmd46_cq_execute_read_task failed with 0x%X\n");│    │
│  │ db_printf("K_INFO: executing %d fused cmd, direction %d\n");    │    │
│  │ db_printf("ERR: error recovery failed with 0x%x\n");            │    │
│  │ ...                                                             │    │
│  └────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                              │                                          │
│                              ▼                                          │
│  .rodata 段:                                                            │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │ "ERR: cmd44_cq_set_task_params failed with 0x%X\n\0"  (47 B)   │    │
│  │ "ERR: cmd45_cq_set_task_address failed with 0x%X\n\0" (48 B)   │    │
│  │ "ERR: cmd46_cq_execute_read_task failed with 0x%X\n\0"(49 B)   │    │
│  │ "K_INFO: executing %d fused cmd, direction %d\n\0"    (46 B)   │    │
│  │ "ERR: error recovery failed with 0x%x\n\0"            (38 B)   │    │
│  │ ...                                                             │    │
│  │                                                                 │    │
│  │ ⚠️ 数百条打印 → 可能占用 10~20KB .rodata 空间！                 │    │
│  └────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.2 多级打印控制架构

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// log.h - 打印级别定义

/* 打印级别（从低到高） */
#define OFF      (0)   // 完全关闭 - 客户量产版本
#define FATAL    (1)   // 致命错误
#define ERROR    (2)   // 错误信息
#define WARNING  (3)   // 警告信息
#define INFO     (4)   // 关键信息
#define DEBUG    (5)   // 调试信息
#define TRACE    (6)   // 跟踪信息
#define ALL      (7)   // 全部打印 - 开发调试版本

/* 条件编译的 LOG 宏 */
#define LOG(level, ...) \
    do { \
        if (LOG_LEVEL >= level) { \
            db_printf(__VA_ARGS__); \
        } \
    } while(0)

关键设计：当 LOG_LEVEL = OFF 时，所有 LOG() 调用在预处理阶段被移除，字符串常量不会进入编译。

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    打印级别与固件版本映射                               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│   开发阶段                                     量产阶段                 │
│   ─────────                                    ─────────                │
│                                                                         │
│   ┌─────────────────┐                         ┌─────────────────┐      │
│   │ LOG_LEVEL = ALL │                         │ LOG_LEVEL = OFF │      │
│   │ 或 DEBUG/TRACE  │                         │ 或 ERROR        │      │
│   └────────┬────────┘                         └────────┬────────┘      │
│            │                                           │                │
│            ▼                                           ▼                │
│   ┌─────────────────┐                         ┌─────────────────┐      │
│   │ 包含所有字符串   │                         │ 仅错误码，无字符串│      │
│   │ FW Size: ~120KB │                         │ FW Size: ~100KB │      │
│   └─────────────────┘                         └─────────────────┘      │
│                                                                         │
│   用途: 问题定位、功能验证                     用途: 客户交付、量产     │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.3 错误码设计：用数值替代字符串

核心思想：用 32-bit 错误码 编码错误信息，替代冗长的字符串描述。

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// log.h - 统一的错误码格式字符串（仅一条，~16字节）
#define LOG_ERROR_STR    "ERROR: 0x%08X\n"
#define LOG_WARN_STR     "WARN: 0x%08X\n"
#define LOG_DEBUG_STR    "DEBUG: 0x%08X\n"

// 调用方式：只传递错误码
LOG(ERROR, LOG_ERROR_STR, NVME_ADMIN_FW_COMMIT_INVALID_FW_SLOT);
// 输出: "ERROR: 0x10000B06"

错误码编码规则：

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    32-bit 错误码编码格式                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│   31        24 23        16 15         8 7          0                   │
│   ┌──────────┬────────────┬────────────┬────────────┐                   │
│   │  Level   │   Module   │  Function  │   Detail   │                   │
│   │  (8-bit) │   (8-bit)  │   (8-bit)  │   (8-bit)  │                   │
│   └──────────┴────────────┴────────────┴────────────┘                   │
│                                                                         │
│   Level:    0x1 = Admin, 0x2 = eMMC, 0xF = BayHub Custom                │
│   Module:   0x0 = NVMe Admin, 0x1 = NVMe IO, 0x2 = Host Init...         │
│   Function: 具体命令或函数编号                                           │
│   Detail:   错误细节编码                                                 │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

错误码定义示例：

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// log.h - NVMe Admin 命令错误码
#define NVME_ADMIN_ABORT_LIMIT_EXCEED           0x10000103  // Admin/Abort/LimitExceed
#define NVME_ADMIN_CREATE_IOCQ_INVALID_QID      0x10000301  // Admin/CreateCQ/InvalidQID
#define NVME_ADMIN_CREATE_IOCQ_INVALID_QSIZE    0x10000302  // Admin/CreateCQ/InvalidSize
#define NVME_ADMIN_FW_COMMIT_INVALID_FW_SLOT    0x10000B06  // Admin/FWCommit/InvalidSlot
#define NVME_ADMIN_FW_COMMIT_INVALID_FW_IMAGE   0x10000B07  // Admin/FWCommit/InvalidImage
#define NVME_ADMIN_FW_DOWNLOAD_OVERLAP_RANGE    0x10000C14  // Admin/FWDownload/Overlap

// eMMC 相关错误码 (0x2X)
#define EMMC_HOST_INIT_ERROR                    0x21000000
#define EMMC_CARD_CHECK_ERROR                   0x22000000
#define EMMC_CARD_IDENTIFY_ERROR                0x23000000
#define EMMC_RW_ERROR                           0x26000000
#define EMMC_ERROR_RECOVERY_ERROR               0x2A000000

5.4 模块级打印开关

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// log.h - 细粒度模块控制
#define TEST_NVME        0   // NVMe 协议调试
#define TEST_EMMC        0   // eMMC 命令调试
#define TEST_SYSTEM      0   // 系统初始化调试
#define TEST_FLUSH       1   // Flush 命令调试（保留）
#define TEST_FW_DOWNLOAD 0   // 固件下载调试
#define TEST_NAMESPACE   0   // Namespace 调试
#define TEST_SHUTDOWN    1   // Shutdown 调试（保留）

// 模块级打印宏
#define LOG_TEST(module_flag, ...) \
    do { \
        if (TEST_LOG_SWITCH && module_flag) { \
            db_printf(__VA_ARGS__); \
        } \
    } while(0)

// 使用示例
LOG_TEST(TEST_EMMC, "CMD44 task_id=%d, block=%d\n", task_id, block_len);

5.5 Bootloader 打印分级

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// log.h - Bootloader 专用打印控制
#ifdef BOOTLOADER_DEBUG
    #define Info_Print_BL(...)         // 关闭普通信息
    #define Position_Print_BL(...)     // 关闭位置信息
    #define Key_Info_Print_BL(...)  db_printf(__VA_ARGS__)  // 仅关键信息
    #define Err_Print_BL(...)       db_printf(__VA_ARGS__)  // 错误必须打印

#elif defined BOOTLOADER_RELEASE
    #define Info_Print_BL(...)         // 全部关闭
    #define Position_Print_BL(...)
    #define Key_Info_Print_BL(...)
    #define Err_Print_BL(...)          // 连错误也关闭
#endif

5.6 空间节省效果对比

版本类型 LOG_LEVEL 字符串数量 .rodata 占用 节省空间
开发调试版 ALL/DEBUG ~500 条 ~15KB -
测试版本 ERROR ~50 条 ~2KB ~13KB
量产版本 OFF 0 条 ~200B ~15KB 
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// config.h - 版本配置

#ifdef MP_ASIC          // 量产 ASIC 版本
    #define LOG_LEVEL  OFF
    #define TEST_LOG_SWITCH 0
#endif

#ifdef GENERAL_FPGA     // FPGA 开发版本
    #define LOG_LEVEL  DEBUG
    #define TEST_LOG_SWITCH 1
#endif

6. 代码空间优化

6.1 编译优化选项

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# Makefile
CFLAGS = -c -O3 -Wall -msoft-float -mv8 ${INC_PATH}

# 优化说明:
# -O3          : 最高级别代码优化
# -msoft-float : 软件浮点（LEON2 无 FPU）
# -mv8         : SPARC V8 指令集

6.2 条件编译裁剪

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// config.h - 功能开关
#define FW_SIM                  0   // 仿真模式
#define SMART_INFO_ENABLE       1   // SMART 信息功能
#define BB_FFU_SUPPORTED        1   // 固件更新功能
#define DISABLE_DATASET_MANAGEMENT_COMMAND  1  // 禁用 TRIM

// 根据功能需求裁剪代码
#if SMART_INFO_ENABLE
    smart_info_init(&smart_rw, &smart_data);
    // ... SMART 相关代码 ...
#endif

#if !DISABLE_DATASET_MANAGEMENT_COMMAND
    case 0x09:  // Dataset Management
        return dataset_management_process(queue_identifier, command);
#endif

6.3 内联函数与宏

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// 关键路径使用内联优化
static inline u64 leon2_cpu_64bits_swap(u64 value)
{
    u32 hi = (u32)(value >> 32);
    u32 lo = (u32)(value);
    hi = __builtin_bswap32(hi);
    lo = __builtin_bswap32(lo);
    return ((u64)lo << 32) | hi;
}

// 频繁使用的位操作使用宏
#define set_reg(base, offset, mask, value) \
    (*(volatile u32 *)((base) + (offset)) = \
        ((*(volatile u32 *)((base) + (offset))) & ~(mask)) | ((value) & (mask)))

7. 运行时内存优化

7.1 任务状态位图设计

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// 原始设计: 每个任务使用 1 字节状态
u8 emmc_firmware_task_status_flag[2][32];  // 64 bytes

// 优化思路 (可进一步优化):
// 使用 64-bit 位图表示 32 个任务状态
// u64 task_status_bitmap[2];  // 仅 16 bytes
// 每 2 bits 表示一个任务状态 (0~3)

7.2 共享缓冲区复用

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// Data Buffer 在不同场景下复用
#define BAYBRIDGE_DATA_BUFFER  ((volatile u8 *)(BAYBRIDGE_WORKRAM_BASE))

// 场景 1: Admin 命令数据 (Identify, Get Log Page)
// 场景 2: 固件更新数据缓存
// 场景 3: SMART 信息临时存储

// 通过状态机确保不会同时使用
if (global_admin_command_req_dma_channel_flag == 0) {
    // 可以安全使用 Data Buffer 进行 IO 操作
}

7.3 堆栈深度控制

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// boot.S - 堆栈初始化
set  STACK_BASE, %g3        // RAM 顶部
sub  %g3, 1024, %g3         // 预留 1KB 给 fw_param
sub  %g3, 128, %g3          // 预留 128B 给函数参数
mov  %g3, %fp               // 设置帧指针
sub  %g3, 96, %sp           // 设置栈指针（预留 96B 本地变量）
andn %sp, 0x0f, %sp         // 16 字节对齐

堆栈优化建议：

  1. 避免深层递归调用
  2. 大数组使用全局静态分配
  3. 关键函数使用 __attribute__((noinline)) 控制内联

8. 空间监控与调试

8.1 Map 文件分析

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# 生成 Map 文件
$(CROSS_COMPILE)ld -T $(LINKFILE_DIR)/fw_sys.lds -Map=build/debug/fw_sys.map ...

Map 文件关键段分析：

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.common_text   0x40000000    0x14a8c
.data          0x40014a94    0x0124
.bss           0x40014bb8    0x4c20
               ^^^^^^^^^^^^^^
               总计: ~100KB 代码 + 数据
               剩余: ~60KB 堆栈空间

8.2 运行时堆栈检查

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#if TEST_RAM_SPACE
// 内存测试填充
for (u32 i = 0; i < BB_RAM_SIZE/4 - 256; i++) {
    *(volatile u32 *)(BAYBRIDGE_WORKRAM_BASE + i*4) = 0xDEADBEEF;
}
// 验证后比较哪些区域被覆盖，判断实际堆栈使用量
#endif

9. 总结

BayBridge 固件空间优化的核心策略：

优化方向 技术手段 节省空间
字符串优化 错误码替代、多级打印控制 ~10-15KB
数据结构 位域、packed、最小类型 ~5KB
内存分配 静态预分配、共享复用 ~3KB
代码裁剪 条件编译、功能开关 ~5KB
编译优化 -O3、内联、宏 ~2KB
布局设计 Linker Script 精确控制 -

关键设计原则：

  1. 零动态分配：所有内存静态预分配，无 malloc/free
  2. 固定深度队列：任务队列深度编译时确定
  3. 缓冲区复用：Data Buffer 根据上下文复用
  4. 精确布局：Linker Script 控制每个 Section 位置
  5. 功能可裁剪：通过宏开关移除不需要的功能
  6. 字符串最小化：量产版用错误码替代字符串描述

字符串优化总结：

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开发版 (LOG_LEVEL=ALL)     量产版 (LOG_LEVEL=OFF)
─────────────────────      ─────────────────────
db_printf("ERR: ...")  →   LOG(ERROR, LOG_ERROR_STR, 0x26000005)
~500条字符串, 15KB     →   1条格式串 + 错误码, 200B

下一篇将分析 IO 性能优化和任务调度的实现细节。