軟件Overlay：程序編寫與調(diào)試

近幾年來，SOC為了支持更大的硬件資源，及更精確的算法，很多應用中的軟件程序代碼越來越大，但是售價卻要越來越便宜。各家廠商無不絞盡腦汁尋找降低成本的方法。

SRAM在SOC上，是一個快速但單位面積較大的組件，而單位面積較大代表成本較高。有一個降低成本的方法，是將程序代碼放在較慢但單位面積較小的flash或ROM上，當系統(tǒng)需要執(zhí)行里面的某些程序代碼時，才加載到內(nèi)存里執(zhí)行。

如果用商店來比喻的話，有一個小店租在都市里的黃金店面里，小店的展示柜很小，當客人想要看架上沒有的商品時，店員才從后面較大的倉庫里，把商品拿出來放到展示柜上。這里的展示柜就像SRAM，昂貴但是有效率，倉庫就像flash，便宜容積大但是存取較麻煩。

本文介紹的是軟件overlay的技術(shù)。除此之外，晶心科技也發(fā)展了硬件overlay的技術(shù)，使得overlay執(zhí)行更快，操作更為簡單。期望本文章能對使用者有所幫助，也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見。

1. 軟件Overlay技術(shù)介紹及操作

我們舉一個實際例子作為說明，比方說程序代碼的大小為210KB，RAM只有64KB，我們把RAM規(guī)劃成一格一格的大小，比方說每4KB切成一塊。每4KB的大小可以在不同時間，更換成不同的程序代碼，可以重復利用RAM的空間。程序代碼儲存在ROM或flash里，只有在執(zhí)行之前會將函數(shù)從ROM或flash里動態(tài)加載SRAM里。當這個函數(shù)執(zhí)行完成，下一個函數(shù)要執(zhí)行前，再加載下一個函數(shù)。

值得注意的是，每一格SRAM里可加載的程序代碼是互斥的，比方說有些不會同時使用的功能可以放在同一格里，比方說mp3播放器，錄音和播放不會同時使用，就可以規(guī)劃重復利用同一格SRAM。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

請參考圖表1，右邊長方形是flash的內(nèi)容。0x0起1MB的空間，flash里存放了程序代碼和.data，及各個即將要被overlay的sections。

圖表1的左邊長方形是SRAM規(guī)劃，地址從0x10000000開始，我們切出三格提供overlay的SRAM，分別是0x10800000, 0x10804000及0x10808000。Overlay要規(guī)劃成幾格，或者每一格要切成多大塊，都是由使用者規(guī)劃。這里的SRAM與flash的地址是以通用型Andes FPGA開發(fā)板作例子。讀者設計SOC時，可以根據(jù)實際需求定義合理的地址。

程序執(zhí)行時，0x10800000可以加載.ovly0或是.ovly1。0x10804000可以加載.ovly3或是.ovly2。0x10808000可以加載.ovly4或是.ovly5。

1.2 overlay的sag文件編寫

圖表2是范例sag文件。Sag文件是Andes linker script generator所需要的輸入文件，執(zhí)行l(wèi)inker script generator后，輸出會產(chǎn)生GNU linker需要的linker script。詳細語法說明可以參考Andes BSP v3.2.0 User manual第12章。

我們簡單介紹圖表2的語法。第1行關(guān)鍵詞USER_SECTIONS表示后面接的這幾個sections都是由使用者自定義的sections。在后面的章節(jié)，筆者會介紹如何把函數(shù)指定為這些自定義sections。

1.3 sag文件轉(zhuǎn)成linker script

如圖表3，在cygwin下執(zhí)行nds_ldsag軟件，將sw-ovly.sag轉(zhuǎn)成sw-nds32.ld文件。參數(shù)-o sw-nds32.ld為指定輸出文件名。nds_ldsag軟件可以在AndeSight 2.0.1 MCU或是BSP v3.2.0里取得。

1.4 程序里指定函數(shù)或變量放在自定義的sections

GNU ld (linker)可連結(jié)目標文件為可執(zhí)行文件，排列上的最小單位是section，基本的sections為.text，.data及.bss這3個sections。為了達成分區(qū)overlay的功能，必須指定函數(shù)或是變量在自定義的sections上。在前一節(jié)里我們介紹了我們切出3個區(qū)域可以做overlay，分別是OVLY0(從0x10800000起)，OVLY1(從0x10804000起)及OVLY2(從0x10808000起)三個區(qū)域。指定函數(shù)overlay0放在自定義section .overlay0里，要使用__attribute__((section(".overlay0")))語法，完整寫法請參考圖表4a。圖表4b.是另外一種寫法。

1.5 各sections的LMA與VMA

圖表6，是各個section的LMA和VMA。在這個表上，可以看.andes32_init到.sdata_w的LMA從0x0~0x29dc，這些section的LMA是連續(xù)的。.overlay0與.overlay1做overlay，所以有共同的VMA 0x10800000。同樣的，.overlay2和.overlay3，具有共同的VMA 0x10804000。.Overlay4和.overlay5，也有同樣的VMA 0x18008000。

1.6 overlay程序的加載

前面已經(jīng)介紹overlay section的sag文件寫法。那么如何加載用戶想要用的overlay程序呢?

請看圖表7，這是overlay的執(zhí)行程序代碼。第5行OverlayLoad(0)表示載入section .overlay0。第6行OverlayLoad(4)表示載入section .overlay4。第7行在.overlay0被加載后，執(zhí)行overlay0()，可以正常工作。

再來我們介紹一下Overlay manager的程序運作，Overlay manager即為圖表7中的函數(shù)OverlayLoad。圖表8列出Overlay manager代碼段，主要做了兩件事。一，修改mapped table _ovly_table，標示overlay section是mapped或是unmapped。_ovly_table的用途是讓gdb知道目前加載的是哪一個section，使得gdb在debug時，能自動切換為正確的調(diào)試信息。

二，在程序執(zhí)行時期將函數(shù)加載，函數(shù)ovly_copy是一個memcpy函數(shù)，將函數(shù)從LMA復制到VMA上。當OverlayLoad(0)執(zhí)行完后，overlay0函數(shù)主體便存在于VMA上，可正確的執(zhí)行。

圖表9為_ovly_table的內(nèi)容，要標示每一個overlay section的vma, size, lma,和是否mapped。必須要注意的一點，_ovly_table要位在一個lma等于vma的區(qū)域里。

2. 調(diào)試Overlay的程序

開啟自動overlay調(diào)試功能的gdb命令是overlay auto。當overlay auto開啟后，對于使用者來說，與一般程序的調(diào)試方法相同。

圖表8的最后一行_ovly_debug_event()的用途是讓gdb能把斷點加在正確的地址上，這一行要寫在OverlayLoad的后面。必須要有這一行，gdb的自動overlay調(diào)試才能正常。

當用戶加一個斷點在被overlay的區(qū)域，gdb會在函數(shù)被加載之后(即為執(zhí)行完OverlayLoad)，遇到_ovly_debug_event時，自動的把斷點加到overlay的地址上。

3. 參考數(shù)據(jù)

Overlay Commands https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Overlay-Commands.html

Automatic Overlay Debugging https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Automatic-Overlay-Debugging.html#Automatic-Overlay-Debugging

Debugging Programs That Use Overlays

http://davis.lbl.gov/Manuals/GDB/gdb_11.html

Andes BSP v3.2.0 User Manual

Chapter 12 “Linker Script Generation”