ARM系列之分散加載描述符（scatte）文件的應用

但是對于一些復雜的場景，就需要分散家在描述符文件，比如：

1 . 定位目標外設

　　使用分散加載，可以將用戶定義的結構體或代碼定位到指定物理地址上的外設，這種外設可以是定時器、實時時鐘、靜態(tài)SRAM或者是兩個處理器間用于數據和指令通信的雙端口存儲器等。在程序中不必直接訪問相應外設，只需訪問相應的內存變量即可實現對指定外設的操作，因為相應的內存變量定位在指定的外設上。這樣，對外設的訪問看不到相應的指針操作，對結構體成員的訪問即可實現對外設相應存儲單元的訪問，讓程序員感覺到仿佛沒有外設，只有內存。

　　例如，一個帶有兩個32位寄存器的定時器外設，在系統(tǒng)中的物理地址為Ox04000000，其C語言結構描述如下：

　　要使用分散加載將上述結構體定位到Ox04000000的物理地址，可以將上述結構體放在一個文件名為timer_regs．c中，并在分散加載文件中指定即可，如下：

　　屬性UNINIT是避免在應用程序啟動時對該執(zhí)行段的ZI數據段初始化為零。

　　在程序連接后，通過Image map文件可查看該ZI數據段的存儲器分配情況：

　　Execution Region TIMER(Base：Ox04000000，Size：0x00000008，Max：0xffffffff，ABSOLUTE，UNINIT)Base Addr Size Type Attr Idx E Section Name 0bi ectOx04000000 0x00000008 Zero RW 32．bss tlmer_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0x04000000，即結構體timer_regs定位在Ox04000000，因此，在程序中對結構體的操作即是對定時器的操作。

2 . 定義超大型結構體數組

　　分散加載機制在提供將指定代碼和數據定位在指定物理地址的能力的同時，也提供了一種代碼分割機制——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。這樣最終生成的燒入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存的大小，它不能大到超過內存的大小；而采用分散加載機制，可以將某個零初始化段定位到非內存地址的一個存儲器外設上，如NVRAM(非易失性隨機存儲器)。

　　筆者曾在一個實際工程中采用這種分散加載機制，將一個2MB的結構體數組定位到外部NVRAM中，用于記錄設備在工作過程中采集到的數據；而在本系統(tǒng)中，ARM處理器的內存只有256 KB，Flash存儲器也只有2 MB。如果不采用分散加載，程序根本無法運行，也不能燒寫到Flash中。

　　采用分散加載，把對復雜外設的訪問變成對結構體數組的訪問，使程序代碼精簡易懂。對程序員來說，對結構體數組的操作還是和內存變量的操作一樣的。

3. 某些特殊應用，需要將代碼段或者數據段的部分放置在指定位置，方便更新，或者其他加密等原因。

4. 某些特殊應用，需要固定函數地址的時候，可以將那個函數放于固定的區(qū)域，而不管其他程序有誤變化。

5. 對于程序中的一些配置型的變量，可能需要集中放置在一個區(qū)域，方便下次直接更新那塊存儲空間。

-------------------o-----------------------------------------------

下面著重描述分散描述符的寫法，分散描述文件的類型為 .scf 。寫完后，可以通過ADS進行加載。

分散裝載(Scatlerloading)
在實際的嵌入式系統(tǒng)中，ADS提供的缺省存儲器映射是不能滿足要求的。用戶的目標硬件通常有多個存儲器設備位于不同的位置，并且這些存儲器設備在程序裝載和運行時可能還有不同的配置。
Scattertoading可以通過一個文本文件來指定一段代碼或數據在加載和運行時在存儲器中的不同位置。這個文本文件scatterfile在命令行中由-scatter開關指定，例如：
armlink_scatterscat.scffilel.ofile2.0
在scatterfile中可以為每一個代碼或數據區(qū)在裝載和執(zhí)行時指定不同的存儲區(qū)域地址，Scatlertoading的存儲區(qū)塊可以分成二種類型：
裝載區(qū)：當系統(tǒng)啟動或加載時應用程序的存放區(qū)。
執(zhí)行區(qū)：系統(tǒng)啟動后，應用程序進行執(zhí)行和數據訪問的存儲器區(qū)域，系統(tǒng)在實時運行時可以有一個或多個執(zhí)行塊。
映像中所有的代碼和數據都有一個裝載地址和運行地址(二者可能相同也可能不同，視具體情況而定)。在系統(tǒng)啟動時，C函數庫中的__main初始化代碼會執(zhí)行必要的復制及清零操作，使應用程序的相應代碼和數據段從裝載狀態(tài)轉入執(zhí)行狀態(tài)。
1.scatter文件語法
scatter文件是一個簡單的文本文件，包含一些簡單的語法。
My_Region0x00000x1000
{
thecontextofregion
}
每個塊由一個頭標題開始定義，頭中至少包含塊的名字和起始地址，另外還有最大長度和其他一些屬性選項。塊定義的內容包括在緊接的一對花括號內，依賴于具體的系統(tǒng)情況。
一個加載塊必須至少含有一個執(zhí)行塊；實踐中通常有多個執(zhí)行塊。
一個執(zhí)行塊必須至少含有一個代碼或數據段；這些通常來自源文件或庫函數等的目標文件；通配符號*可以匹配指定屬性項中所有沒有在文件中定義的余下部分。
2.簡單分散加載樣例
圖8所示樣例中，只有一個加載塊，包含了所有的代碼和數據，起始地址為0。這個加載塊一共對應兩個執(zhí)行塊。一個包含所有的RO代碼和數據，執(zhí)行地址與裝載地址相同；同時另一個起始地址為0x10000的執(zhí)行塊，包含所有的RW和ZI數據。這樣當系統(tǒng)開始啟動時，從第一個執(zhí)行塊開始運行(執(zhí)行地址等于裝載地址)，在執(zhí)行過程中，有一段初始化代碼會把裝載塊中的一部分代碼轉移到另外的執(zhí)行塊中。
下面是這個scatter描述文件，該文件描述了上述存儲器映射方式。
LOAD_ROM0x4000
｛
EXE_ROM0x00000x4000;Rootregion
｛
*〈+RO〉;Allcodeandconstantdata
｝
RAM0x100000x8000
｛
*〈+RW,+ZI〉;Allnon-constantdata
｝
｝
3.在分散文件中放置對象
在大多數應用中，并不是像前例那樣，簡單地把所有屬性都放在一起，用戶需要控制特定代碼和數據段的放置位置。這可以通過在scatter文件中對單個目標文件進行定義實現，而不是只簡單地依靠通配符。
為了覆蓋標準的連接器布局規(guī)則，我們可以使用+FIRST和+LAST分散加載指令。典型的例子是在執(zhí)行塊的開始處放置中斷向量表格：
LOAD_ROM0x00000x4000
｛
EXEC_ROM0x00000x4000
｛
vectors.o〈Vect,+FIRST〉
*〈+RO〉
｝
;moreexecregions...
｝
在這個scatter文件中，保證了vextors.o中的Vect域被放置于地址0x0000。
4.RootRegion(根區(qū))
根區(qū)是一個執(zhí)行塊，它的加載地址與執(zhí)行地址是一致的。每個scatter文件至少有一個根區(qū)。分散加載有一個限制：創(chuàng)建執(zhí)行塊的代碼和數據(即完成復制和清零的代碼和數據)無法自行復制到另一個位置。因此，在根區(qū)中必須含有下面的部分：
_main.o，包含復制代碼/數據的代碼；
連接器輸出變量$$Table和ZISection$$Table，包含被復制代碼/數據的地址。
由于上面兩個部分的屬性是只讀的，因此他們被*〈+RO〉通配符語法匹配。如果*〈+RO〉被用在了非根區(qū)中，則在根區(qū)中必須顯式地指明另一個RO區(qū)域。
下面是一個例子：
LOAD_ROM0x00000x4000
｛
EXE_ROM0x00000x4000;rootregion
｛
_main.o〈+RO〉;copyingcode
*〈Region$$Tabl0e〉;RO/RWaddressestocopy
*〈ZISection$$Table〉;ZIaddressestozero
｝
RAM0x100000x8000
｛
*〈+RO〉;allotherROsections
*〈+RW,+ZI〉;allRWandZIsections
｝
｝

-------------------------------------------

放置堆棧和heap
Scatterloading機制提供了一種指定代碼和靜態(tài)數據布局的方法。下面介紹如何放置應用程序的堆棧和heap。
*_user_initial_stackheap重定向
應用程序的堆棧和heap是在C庫函數初始化過程中建立起來的?？梢酝ㄟ^重定向對應的子程序來改變堆棧和heap的位置，在ADS的庫函數中，即_user_initial_stackheap()函數。
_user_initial_stackheap()可以用C或匯編來實現，它必須返回如下參數：
r0：heap基地址；
r1：堆棧基地址；
r2：heap長度限制值(需要的話)；
r3：堆棧長度限制值。
當用戶使用分散裝載功能的時候，必須重調用_user_initial_stackheap()，否則連接器會報錯：
Error： L6218E： Undefined symbol Image$$ZI$$Limit (referred from sys_stackheap.o)

*存儲器模型
ADS提供了兩種實時存儲器模型。缺省時為one-region，應用程序的堆棧和heap位于同一個存儲器區(qū)塊，使用的時候相向生長，當在heap區(qū)分配一塊存儲器空間時需要檢查堆棧指針。另一種情況是堆棧和heap使用兩塊獨立的存儲器區(qū)域。對于速度特別快的RAM，可選擇只用來作堆棧使用。為了使用這種two-region模型，用戶需要導入符號use_two_region_memory，heap使用需要檢查heap的長度限制值。
對這兩種模型來說，缺省情況下對堆棧的生長都不進行檢查。用戶可以在程序編譯時使用 -apcs/swst 編譯器選項來進行軟件堆棧檢查。如果使用two-region模型，必須得在執(zhí)行_user_initial_stackheap時指定一個堆棧限制值。

圖9 重定向_user_initial_stackheap()

圖10 基本初始化過程

圖11 ROM/RAM重定向和映射

表1

系統(tǒng)復位和初始化
目前情況，一般假設程序從C庫函數的初始化入口_main開始執(zhí)行。實際上，所有的嵌入式程序在啟動時都要執(zhí)行一些系統(tǒng)級的初始化操作。在此討論這方面的內容。
初始化過程
圖10中顯示了一個基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的基本初始化過程。可以看到，在_main之前加入了一個復位處理模塊reset handler，它在系統(tǒng)上電復位時立即啟動。標識為$sub$$main的新代碼塊在進入主程序之前執(zhí)行。
復位處理模塊reset handler通常是一小段匯編代碼，在系統(tǒng)復位時執(zhí)行。它至少完成應用程序中使用到的所有處理器模式的堆棧初始化工作。對于含有本地存儲器系統(tǒng)的內核(比如含cache的ARM內核)，配置工作也必須在這一段初始化過程中完成。當完成系統(tǒng)初始化之后，通常程序會跳向_main，開始C庫函數的初始化過程。
系統(tǒng)初始化過程一般還包括另外一些內容，中斷使能等，這些大多安排在C庫函數的初始化完成之后執(zhí)行。$sub$$main()完成這部分功能。
向量表(vector table)
所有的ARM系統(tǒng)都有一張中斷向量表當出現異常需要處理時，必須調用向量表。向量表一般要位于0地址處。

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

存儲器配置
*ROM/RAM重定向
當系統(tǒng)啟動的時候，為了保證0地址處有正確的啟動代碼存在，需要非易失性的存儲器。
一種簡單的方法，就是把系統(tǒng)0x0000開始的一塊地址分配給ROM。其缺點是，由于ROM的訪問速度比RAM慢很多，當執(zhí)行中斷響應需要從中斷向量表跳轉時，會給系統(tǒng)性能帶來損失；同時，在ROM中的向量表內容也不能被用戶程序動態(tài)修改。
另外一種可行的方案如圖11所示。ROM位于地址0x1000開始的地方，但是在系統(tǒng)復位時又被存儲器控制器映射到0x0000地址處。這樣當系統(tǒng)啟動之后，在地址0x0000看到的是ROM，系統(tǒng)執(zhí)行這塊ROM中的啟動代碼，啟動代碼跳轉到真正的ROM的地址，并讓存儲器控制器移除對ROM的地址映射。這時0x0000地址處的存儲器又恢復回了RAM。__main中的代碼把向量表copy到0x0000處的RAM中去，使得異常時能被正確響應。
表1為ARM匯編中執(zhí)行ROM/RAM重定向和映射的一個例子。它以ARM公司的Integrator平臺為基礎的，該方法適用于類似ROM/RAM重定向方法的所有平臺。第一條指令完成從ROM的映射地址(0x00000)到真實地址的跳轉。地址標號instruct_2是ROM的真實地址(0x180004)。然后通過設置Integrator平臺上的相應控制寄存器，移除ROM的地址映射。代碼在系統(tǒng)一啟動就被執(zhí)行。所有關于地址重定向/映射的操作必須在C庫函數初始化之前完成。

*本地存儲器配置
許多ARM處理器都有片上存儲器系統(tǒng)，如cache和緊密耦合存儲器(TCM)、存儲器管理單元(MMU)或存儲器保護單元(MPU)。這些設備都要在系統(tǒng)初始化過程中正確配置，并且有一些特殊的要求需要考慮。
由前文可知，_main中的C庫函數初始化代碼負責程序運行時的存儲器系統(tǒng)設置。因此，整個存儲器系統(tǒng)本身必須得在__main之前完成初始化工作，如MMU或MPU必須在reset handler里面完成配置。
緊密耦合存儲器(TCM)的初始化同樣須在_main之前完成(通常在MMU/MPU之前)，因為一般程序都需要把代碼和數據分散裝入TCM。需要注意的是當TCM被使能后，不再訪問被TCM屏蔽的存儲器。
關于cache的一致性問題，如果cache在_main之前使能的話，那么當_main里面進行從裝載區(qū)到執(zhí)行區(qū)的代碼和數據拷貝時(因為在拷貝過程中指令和數據在本質上都是被當作數據處理)，指令會出現在數據緩沖區(qū)。避免此問題的方法是在C庫函數初始化完成后再使能cache。
*Scatter loading與存儲器配置
無論是通過ROM/RAM重定向還是MMU配置的方法，如果系統(tǒng)在啟動和運行時存儲器分布不一致，scatterloading文件中的定義就要按照系統(tǒng)重定向后的存儲器分布情況進行。
以上文ROM/RAM重定向為例：
LOAD_ROM 0x10000 0x8000
{
EXE_ROM 0x10000 0x8000
{
reset_handler.o (+RO, +FIRST)
...
}
RAM 0x0000 0x4000
{
vectors.o (+RO, +FIRST)
...
}
}
裝載區(qū)LOAD_ROM被放置在0x10000處，代表了重定向之后代碼和數據的裝載地址。

堆棧的初始化
程序中可能用到的處理器模式，都需要定義一個堆棧指針。
在表2中，堆棧位于stack_base標識的地址中。這個符號可以是存儲器系統(tǒng)中的一個直接地址，也可以在另外的匯編文件中定義，由scatter文件來定義分配地址。表2代碼為FIQ和IRQ模式各分配了一個256字節(jié)的堆棧，用戶可以用同樣的方法為其他模式也分配堆棧。最簡單的方法就是進入相應的模式，然后為SP寄存器指定相應的值。如果想使用軟件堆棧檢查，還必須指定一個堆棧長度限制值。
堆棧指針和堆棧限制的數值會作為參數自動傳遞到C庫函數的初始化代碼__user_initial_stackheap中，在__user_initial_stackheap中不應該修改這些值。
硬件初始化 $sub$$main()
一般來說，應該把所有的系統(tǒng)初始化代碼與主應用程序分離開來，但是有幾個例外，比如cache和中斷的使能，需要在C庫函數初始化之后執(zhí)行。
表3代碼顯示了如何使用 $sub和 $supper 。連接器把呼叫main()的函數替換成呼叫$sub$$main()，完成cache和中斷的使能，并最終跳向main()。

執(zhí)行模式考慮
為主應用程序選擇一個處理器執(zhí)行模式非常重要，這取決于系統(tǒng)的初始化代碼。
許多在啟動過程中使用到的功能，如MMU/MPU的配置、中斷的使能等，只能在特權級模式下進行。如果需要在特權極模式下運行自己的應用程序，只要在退出初始化過程之前改變到相應的模式就行了，沒有其他任何問題。
如果使用user模式，必須保證所有只能在特權模式下執(zhí)行的功能完成之后，才能進入user模式。因為system模式和user模式使用相同的寄存器組，reset handler應該從system模式退出，_user_initial_stackheap在system模式下完成應用程序堆棧的初始化。這樣在處理器進入user模式后，所有的堆?？臻g都已經被正確設置好了。

對存儲器布局的進一步考慮
在scatter文件中分配硬件地址
雖然可以在一個scatter文件中描述代碼和數據的分散布局，但是目標硬件中的外設寄存器，堆棧和heap配置仍然直接采用硬件地址在程序源代碼中進行設置。如果把所有存儲器地址相關的信息都在scatter文件中進行定義，避免在源文件中引用絕對硬件地址，對程序的工程化管理是有大好處的。
*在scatter文件中定義目標外設地址
通常外設寄存器的地址在程序文件或頭文件中定義，也可以聲明一個結構類型指向外設寄存器，結構的地址定位在scatter文件中完成。
舉例來說，目標定時器上有2個32位的寄存器，可以用表4來映射這些寄存器。為了把結構放置在指定的存儲器地址上面，創(chuàng)建一個新的執(zhí)行區(qū)(見表5)。scatter文件便把timer_regs結構定位在了地址0x40000000。
注意，在啟動過程當中這些寄存器的內容不需要清零，改變寄存器的內容可能影響系統(tǒng)狀態(tài)。在執(zhí)行區(qū)上加UNINIT屬性可以防止ZI數據在初始化過程中被清零。
在scatter文件中分配堆棧和heap
在許多情況下，用scatter文件來定義堆棧和heap的地址會帶來一些好處，主要有：所有的存儲器分配信息集中在一個文件里；改變堆棧和heap的地址只要重新連接就行了，不需要重新編譯。
*顯式地放置符號
在ADS1.2環(huán)境下，這是最簡單的方法。在前文中引用過2個符號stack_base和heap_base，這2個符號在匯編模塊中創(chuàng)建，在scatter文件中各自的執(zhí)行區(qū)里定位(見表6)。
表7文件中，heap基地址定位在0x20000上，堆?；刂肺挥?x40000。現在heap和堆棧的位置就可以非常方便地進行編輯了。
*使用連接器產生的符號
這種方法需要在目標文件中指定好heap和堆棧的長度。這在一定程度上減弱了本節(jié)開頭描述的兩個優(yōu)點。
首先在匯編源程序中定義heap和堆棧的長度。關鍵詞SPACE用來保留一塊存儲器空間，NOINT則可以阻止清零操作(見表8)。注意在這里的源文件中并不需要地址標號。
然后這些部分就可以在scatter文件中對應的執(zhí)行區(qū)里定位了(見表9)。連接器產生的符號指向每一個執(zhí)行區(qū)的基地址和長度限制，這些符號可以被_user_initial_stackheap調用的重定向代碼使用。在代碼中使用DCD來給這些值定義更有意義的名字，可以增強代碼的可讀性(見表10)。
文件把heap基地址定位在0x15000，堆棧地址定位在0x4000。Heap和堆棧的位置可以通過編輯對應執(zhí)行區(qū)的地址方便地改變。

------------------------o---------------------------------------

樣例如下所示：

分散加載描述文件供ARM-ADS鏈接器使用，用來決定各個代碼段和數據段的存儲位置，下面為一個添加注釋后的.scf文件例子：

;YL-LPC2294片內FLASH分散加載文件
;Internal Flash 256kBytes， Address range:0x00000000～0x0003ffff
;Internal SRAM 16KBytes， Address range:0x40000000～0x40003fff
;External Flash 2MBytes，SST39VF1601，Address range:0x80000000～0x401fffff
;External SRAM 512KBytes，IS61LV25616，Address range:0x81000000～0x81080000
ROM_LOAD 0x0;ROM_LOAD:> ;0x0:Start address for ROM_LOAD region.
{
ROM_EXEC 0x00000000;ROM_EXEC:> ;0x00000000:Start address for the execture region.
{
Startup.o (vectors, +First)
* (+RO) ;Place all code and RO data into this exec region,
;and make sure the "vectors" section from "Startup.o"
;be placed first.
}

IRAM 0x40000000 ;The second execute region;start address is 0x40000000.
{
Startup.o (+RW,+ZI) ;Place all RW and ZI data from Startup.o here.
}

ERAM 0x81068000 ;The third execute region;Start address:0x81068000.
{
* (+RW,+ZI) ;All reset RW/ZI data to be placed here.
}

HEAP +0 UNINIT ;The fourth execute region;Start address:Follow the
;end of ERAM region.
{
heap.o (+ZI) ;All ZI data from heap.o to be placed here.
}

STACKS 0x40004000 UNINIT ;The fifth execute region.
{
stack.o (+ZI) ;All ZI data from stack.o to be placed here.
}
}

一般一個簡單的分散加載描述文件包含三部分：Loader region、Execute region、Input section。各部分的格式及定義細節(jié)參見文件：ADS_LinkerGuide.pdf