|
引言 在當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ARM處理器以價(jià)格便宜、功耗低、集成度高、外設(shè)資源豐富和易于使用的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用；在速度和性能方面已達(dá)到或超過部分Pcl04嵌入式計(jì)算機(jī)的性能，而成本卻比相應(yīng)的PCI04計(jì)算機(jī)低很多，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、GPS接收機(jī)、地圖導(dǎo)航、路由器、以太網(wǎng)交換機(jī)及其他民用和工業(yè)電子設(shè)備。 在一個(gè)采用ARM處理器的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，目標(biāo)硬件常常由Flash、SRAM、SDRAM和 NVRAM(非易失性RAM)等存儲(chǔ)器組成，并定位于不同的物理地址范圍，那么，怎樣通過軟件更好地訪問和利用這些不同的存儲(chǔ)器并讓系統(tǒng)高效地運(yùn)行?分散加載(scatter loading)就提供了這樣一種機(jī)制。它可以將內(nèi)存變量定位于不同的物理地址上的存儲(chǔ)器或端口，通過訪問內(nèi)存變量即可達(dá)到訪問外部存儲(chǔ)器或外設(shè)的目的；同時(shí)通過分散加載，讓大多數(shù)程序代碼在高速的內(nèi)部RAM中運(yùn)行，從而使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性大大增強(qiáng)。 1 ARM ELF目標(biāo)文件的主要構(gòu)成 ARM EIF(ExectItable and Linking Format)目標(biāo)文件主要由．Text段、．Data段、．BSS段構(gòu)成，其他段如．debug段、．comment段等與本文關(guān)系不大，不作介紹。 ．Text 段由可執(zhí)行代碼組成，段類型為Code，屬性為RO： ．Data段由已初始化數(shù)據(jù)組成，段類型為Data，屬性為RO： ．BSS 段由未初始化數(shù)據(jù)組成，段類型為Zero，屬性為Rw，在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)對(duì)該段的數(shù)據(jù)初始化為零。如果在分散加載文件中指定了UNINIT屬性，則在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)不初始化該段。 2 分散加載的基本原理 假設(shè)一個(gè)采用ARM處理器的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)硬件的存儲(chǔ)器由ROM存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器組成。當(dāng)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)在仿真環(huán)境下調(diào)試完畢，需要脫機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，就需要將源程序編譯連接成可執(zhí)行目標(biāo)代碼并燒寫到ROM存儲(chǔ)器中。由于ROM存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)的速率比RAM存儲(chǔ)器慢，因此，讓程序在ROM存儲(chǔ)器中運(yùn)行。CPU每次取指令和取數(shù)據(jù)操作都要訪問ROM存儲(chǔ)器，這樣需要在 CPU的總線周期中插入等待周期，通過降低總線的速率來滿足訪問慢速的ROM存儲(chǔ)器，這樣勢必會(huì)降低CPU的運(yùn)行速率和效率，因此，分散加載就顯得非常必要。 ARM的連接器提供了一種分散加載機(jī)制，在連接時(shí)可以根據(jù)分散加載文件(．scf文件)中指定的存儲(chǔ)器分配方案，將可執(zhí)行鏡像文件分成指定的分區(qū)并定位于指定的存儲(chǔ)器物理地址。這樣，當(dāng)嵌入式系統(tǒng)在復(fù)位或重新上電時(shí)，在對(duì)CPU相應(yīng)寄存器進(jìn)行初始化后，首先執(zhí)行ROM存儲(chǔ)器的 Bootloader(自舉)代碼，根據(jù)連接時(shí)的存儲(chǔ)器分配方案，將相應(yīng)代碼和數(shù)據(jù)由加載地址拷貝到運(yùn)行地址，這樣，定位在RAM存儲(chǔ)器的代碼和數(shù)據(jù)就在 RAM存儲(chǔ)器中運(yùn)行，而不再從ROM存儲(chǔ)器中取數(shù)據(jù)或取指令，從而大大提高了CPU的運(yùn)行速率和效率。 分散加載的基本原理如圖1所示。 
3 分散加載文件語法 在一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，分散加載文件是對(duì)目標(biāo)硬件中的多個(gè)存儲(chǔ)器塊的分塊描述，它直接對(duì)應(yīng)目標(biāo)硬件存儲(chǔ)器的起始地址和范圍。同時(shí)，它在應(yīng)用程序連接時(shí)用于告訴連接器用戶程序代碼和數(shù)據(jù)的加載地址和運(yùn)行地址，在連接時(shí)由連接器產(chǎn)生相應(yīng)的加載地址和運(yùn)行地址符號(hào)，包括代碼和數(shù)據(jù)的加載起始地址、運(yùn)行地址和長度等。這些符號(hào)用于上電后執(zhí)行啟動(dòng)代碼的數(shù)據(jù)拷貝工作，啟動(dòng)代碼根據(jù)這些符號(hào)，將指定代碼和數(shù)據(jù)由ROM中的加載地址拷貝到RAM中的運(yùn)行地址中，從而實(shí)現(xiàn)代碼在高速RAM存儲(chǔ)器中的脫機(jī)運(yùn)行。其語法格式如下：
注意： ①每一個(gè)分散加載文件必須至少包含一個(gè)根區(qū)，每個(gè)根區(qū)的加載地址等于執(zhí)行地址。 ②每一個(gè)引導(dǎo)區(qū)必須至少包含一個(gè)執(zhí)行區(qū)，每一個(gè)執(zhí)行區(qū)必須至少包含一個(gè)代碼段或數(shù)據(jù)段；一個(gè)引導(dǎo)區(qū)可以包含幾個(gè)執(zhí)行區(qū)，每一個(gè)執(zhí)行區(qū)只能屬于一個(gè)引導(dǎo)區(qū)。 4 分散加載時(shí)連接器生成的預(yù)定義符號(hào) 在編譯連接時(shí)如果指定了分散加載文件 (．scf文件)，在連接后會(huì)自動(dòng)生成如下變量：
5 重新實(shí)現(xiàn)_user_initial_stackheap()函數(shù) 分散加載機(jī)制提供了一種指定代碼和靜態(tài)數(shù)據(jù)布局的方法。使用分散加載時(shí)，必須重新放置堆棧和堆。 應(yīng)用程序的堆棧(stack)和堆 (heap)是在C庫函數(shù)初始化過程中建立起來的，在ADSl．2或更新版本中，在缺省狀態(tài)下C庫函數(shù)初始化代碼會(huì)將連接器生成的符號(hào) Image$$ZI$$Limit地址作為堆的基地址。在分散加載時(shí)，連接器會(huì)將用戶的__user_initial_stackheap()函數(shù)代替C 庫函數(shù)默認(rèn)的堆棧和堆初始化函數(shù)，并將其連接到用戶的鏡像文件中，用戶可通過重新實(shí)現(xiàn)__user_initial_stackheap()函數(shù)來改變堆棧和堆的位置，而適合自己的目標(biāo)硬件。 __user_initial_staekheap()可以用C或匯編語言來實(shí)現(xiàn)。它必須返回如下參數(shù)： R0--堆基地址； r1——堆棧基地址； r2——堆長度限制值(需要的話)； r3 ——堆棧長度限制值(需要的話)。 當(dāng)用戶使用分散加載功能的時(shí)候，必須重新實(shí)現(xiàn)__user_initial_stackheap()，否則連接器會(huì)報(bào)錯(cuò)： Error：L6218E：Undefined symbol Image$$ZI$$一Limit(referred from sys—stackheap．o)。 注：Image$$ZI$$Iimit 變量為零初始化段(gI段)的末地址。未使用分散加載時(shí)，堆默認(rèn)就定位在zI段的末地址，如圖2所示。 --user_initial_stackheap() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)有兩種方法。
(1)共用一個(gè)存儲(chǔ)區(qū) 匯編語言如下：
這種方式定義的堆棧和堆共用一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，采用相向的增長方向，如圖3所示。
(2)使用兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū) 匯編語言如下：
這種方式定義的堆棧和堆分別采用兩個(gè)不同存儲(chǔ)區(qū)。堆棧采用向下增長，從地址 Ox40000到地址0x20000；堆采用向上增長，從地址0x28000000到地址0x28080000，如圖4所示。 6 特殊應(yīng)用 6．1 定位目標(biāo)外設(shè) 使用分散加載，可以將用戶定義的結(jié)構(gòu)體或代碼定位到指定物理地址七的外設(shè)，這種外設(shè)可以是定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、靜態(tài)SRAM或者是兩個(gè)處理器間用于數(shù)據(jù)和指令通信的雙端口存儲(chǔ)器等。在程序中不必直接訪問相應(yīng)外設(shè)，只需訪問相應(yīng)的內(nèi)存變量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定外設(shè)的操作，因?yàn)橄鄳?yīng)的內(nèi)存變量定位在指定的外設(shè)上。這樣，對(duì)外設(shè)的訪問看不到相應(yīng)的指針操作，對(duì)結(jié)構(gòu)體成員的訪問即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)相應(yīng)存儲(chǔ)單元的訪問，讓程序員感覺到仿佛沒有外設(shè)，只有內(nèi)存。 例如，一個(gè)帶有兩個(gè)32位寄存器的定時(shí)器外設(shè)，在系統(tǒng)中的物理地址為0x04000000，其C語言結(jié)構(gòu)描述如下：
屬性UNINIT是避免在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)對(duì)該執(zhí)行段的ZI數(shù)據(jù)段初始化為零。 在程序連接后，通過Image map文件可查看該ZI數(shù)據(jù)段的存儲(chǔ)器分配情況： Execution Region TIMER(Base：0 x04000000，Size：0x00000008，Max：Oxffffffff，ABSOLUTE，UNINIT)Base．Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object 0x04000000 0x00000008 Zero RW 32．bss timer_regs．o 從Image map文件可以看出，該TIMER執(zhí)行區(qū)定位在物理地址Ox04000000，即結(jié)構(gòu)體timer_regs定位在0x04000000，因此，在程序中對(duì)結(jié)構(gòu)體的操作即是對(duì)定時(shí)器的操作。 6．2定義超大型結(jié)構(gòu)體數(shù)組 分散加載機(jī)制在提供將指定代碼和數(shù)據(jù)定位在指定物理地址的能力的同時(shí)，也提供了一種代碼分割機(jī)制——可以將指定的零初始化段(ZI段)從可執(zhí)行代碼中分離出來。這樣最終生成的燒人ROM或Flash中的鏡像文件就不包括那部分分割了的零初始化段，即使該零初始化段再大，也不影響最終生成的鏡像文件的大小。但不采用分散加載機(jī)制，零初始化段在編譯連接后是直接生成到鏡像文件中的。它的大小直接影響最終要燒寫的文件的大小，且零初始化段的大小還取決于內(nèi)存的大小，它不能大到超過內(nèi)存的大小；而采用分散加載機(jī)制，可以將某個(gè)零初始化段定位到非內(nèi)存地址的一個(gè)存儲(chǔ)器外設(shè)上，如NVRAM(非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器)。 筆者曾在一個(gè)實(shí)際工程中采用這種分散加載機(jī)制，將一個(gè)2MB的結(jié)構(gòu)體數(shù)組定位到外部NVRAM中，用于記錄設(shè)備在工作過程中采集到的數(shù)據(jù)；而在本系統(tǒng)中，ARM處理器的內(nèi)存只有256 KB，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器也只有2 MB。如果不采用分散加載，程序根本無法運(yùn)行，也不能燒寫到Flash中。 采用分散加載，把對(duì)復(fù)雜外設(shè)的訪問變成對(duì)結(jié)構(gòu)體數(shù)組的訪問，使程序代碼精簡易懂。對(duì)程序員來說，對(duì)結(jié)構(gòu)體數(shù)組的操作還是和內(nèi)存變量的操作一樣的。 結(jié)語 分散加載是嵌人式系統(tǒng)應(yīng)用中不可或缺的一種加載方式，ARM、DSP、 PowerPC和MIPS等嵌入式處理器，都離不開分散加載。這種分散加載的思想是通用的，只是不同處理器的實(shí)現(xiàn)方式不同。 本文詳細(xì)闡述了基于ARM處理器的分散加載方法及其特殊應(yīng)用，并以實(shí)際工程為例來說明怎樣實(shí)現(xiàn)分散加載及使用分散加載的好處。它是筆者在實(shí)際工程應(yīng)用中的心得體會(huì)，同時(shí)也是筆者工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，希望本文對(duì)從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員能有所幫助。 參考文獻(xiàn) 1. ARM Limited ARM ELF File Format 1998 2. ARM Limited Application Note 48,Scatter Loading 1998 3. ARM Limited Application Note 107,Embedded Software Development with ADS v1.2 2002 作者：桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司 夏爽 來源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2009 (4) |
