一種基于TI TMS320 DSP的軟件動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)

摘要：介紹了軟件動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)的概念和特點(diǎn)，提出了基于TI TMS320系列DSP的軟件動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)。該技術(shù)解決了可重配置的DSP系統(tǒng)中關(guān)于軟件二進(jìn)制目標(biāo)代碼的動(dòng)態(tài)加載和卸載的問(wèn)題。采用該技術(shù)的軟件重配置方案已成功運(yùn)用于某多功能通信系統(tǒng)，為基于其他系列DSP的可重構(gòu)數(shù)字處理系統(tǒng)提供了一定的參考，在無(wú)人值守設(shè)備、多功能信號(hào)處理設(shè)備方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)鏈接；TI TMS320 DSP；COFF文件；重定位

基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的多功能自適應(yīng)通信系統(tǒng)在軟件無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域正變得日益普遍，如何使DSP系統(tǒng)在運(yùn)行期間自適應(yīng)的改變通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)前，DSP開(kāi)發(fā)人員采用了重配置、層疊(overlay)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議自適應(yīng)功能，但作為運(yùn)行時(shí)改變或擴(kuò)展功能的最有效方式，基于DSP的動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)尚未有文獻(xiàn)提及。
動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)是相對(duì)于靜態(tài)鏈接而言，它是指編譯器在編譯程序時(shí)并不將程序所需的庫(kù)文件代碼復(fù)制到程序的可執(zhí)行文件，而只是在程序中保留庫(kù)文件的調(diào)用標(biāo)記。在程序運(yùn)行時(shí)，由鏈接器將庫(kù)文件代碼加載到系統(tǒng)內(nèi)存，并與程序鏈接為一個(gè)整體。在大多數(shù)DSP系統(tǒng)中，采用動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)可以節(jié)省系統(tǒng)對(duì)片上存儲(chǔ)器大小的要求，此外，由于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)對(duì)外提供的是函數(shù)的接口，而不是函數(shù)的入口地址，因此動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)可同時(shí)提供多個(gè)版本，使系統(tǒng)的升級(jí)變得更為方便。
通過(guò)研究和分析TI DSP目標(biāo)代碼的生成過(guò)程和目標(biāo)代碼的結(jié)構(gòu)，提出了針對(duì)該系列DSP代碼動(dòng)態(tài)鏈接的方法。將本文提出的方法應(yīng)用到某通信系統(tǒng)中表明，該方法具有占用片上內(nèi)存小、系統(tǒng)配置時(shí)間短、系統(tǒng)有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，在此后的DSP開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

1 DSP目標(biāo)代碼生成流程
TI DSP系列開(kāi)發(fā)工具包為開(kāi)發(fā)人員提供了一套完整的軟件開(kāi)發(fā)工具鏈，包括C／C++編譯器，匯編器，鏈接器等。利用這套開(kāi)發(fā)工具包，DSP開(kāi)發(fā)人員可以完成程序的編寫(xiě)、編譯、鏈接，直到目標(biāo)代碼的生成。其中，C／C++編譯器將C語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言，匯編器匯編語(yǔ)言翻譯為機(jī)器語(yǔ)言，以COFF目標(biāo)文件的形式輸出給鏈接器。鏈接器將匯編器生成的COFF文件與庫(kù)文件鏈接成一個(gè)完整的程序，以可執(zhí)行的COFF文件輸出到磁盤(pán)，生成DSP可執(zhí)行程序。

2 DSP動(dòng)態(tài)鏈接器的設(shè)計(jì)
文中設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖1所示。DSP應(yīng)用程序被劃分為一個(gè)或多個(gè)可加載模塊，動(dòng)態(tài)鏈接器作為DSP軟件系統(tǒng)架構(gòu)中的一個(gè)重要的軟件模塊，其作用主要是在DSP系統(tǒng)改變功能時(shí)，按需將匯編器生成的目標(biāo)文件按需加載到系統(tǒng)中，與系統(tǒng)已有程序結(jié)合成為一個(gè)整體，并將卸載系統(tǒng)中不需要的模塊。

2．1 模塊的定義
圖1中所示的可加載模塊文件主要包括DSP應(yīng)用程序的機(jī)器代碼，此外包括模塊的名稱(chēng)、大小、版本，模塊所包含的函數(shù)聲明，模塊所依賴(lài)的函數(shù)接口，模塊的入口函數(shù)信息，模塊被引用信息等。這些信息是在匯編器生成DSP應(yīng)用程序的機(jī)器代碼后，由模塊生成程序?qū)⒏郊拥男畔⑻砑拥紺OFF文件中，生成最終的可加載模塊文件。本文設(shè)計(jì)的可加載模塊的文件格式如圖2所示。

2．2 模塊的加載和卸載
2．2．1 COFF文件格式
DSP動(dòng)態(tài)鏈接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解析匯編器生成的目標(biāo)文件，將目標(biāo)文件中包含的代碼根據(jù)模塊的加載地址進(jìn)行重定位后，完成與系統(tǒng)已有程序的鏈接。匯編器生成的目標(biāo)文件是以COFF文件格式保存在磁盤(pán)上，其通常包括代碼段、數(shù)據(jù)段、用戶(hù)自定義段、符號(hào)表和重定位信息等數(shù)據(jù)，格式如圖3所示。

如圖3所示，COFF文件主要包括一個(gè)文件頭部和多個(gè)段信息，以及段重定位信息和符號(hào)表等。COFF文件缺省的包含3個(gè)段：. text段、．data段和．bss段。匯編器將匯編程序的代碼部分放到．text段中，將全局變量放在．data或．bss段中，同時(shí)在符號(hào)表中寫(xiě)入該文件包含的符號(hào)(函數(shù)或變量)名稱(chēng)和對(duì)外引用的符號(hào)名稱(chēng)等信息。此外，每段的重定位信息表中都包含重定位信息項(xiàng)，根據(jù)重定位信息項(xiàng)，可以確定可重定位指令在段中的偏移量，表1給出了重定位信息項(xiàng)的結(jié)構(gòu)。
重定位信息項(xiàng)的0—3字節(jié)表示可重定位指令以0作為起始地址，在當(dāng)前段中的偏移量。4—5字節(jié)是符號(hào)索引表，它代表了該重定位指令索引的符號(hào)在COFF文件中符號(hào)表中的索引號(hào)。8—9字節(jié)表示重定位類(lèi)型，它指出了如何將定位后的地址信息添加到該可重定位指令上。表2是重定位信息項(xiàng)的一個(gè)例子，這里假設(shè)該重定位信息項(xiàng)屬于．text段。

該重定位信息項(xiàng)說(shuō)明在．text代碼段偏移20個(gè)字節(jié)處存在一條重定位語(yǔ)句，該語(yǔ)句所指向的符號(hào)在符號(hào)表中的位置是第20項(xiàng)(從0開(kāi)始計(jì))，該語(yǔ)句的重定位類(lèi)型是PC跳轉(zhuǎn)指令重定位。
2．2．2 DSP機(jī)器代碼的識(shí)別
匯編器生成的是DSP機(jī)器代碼，因此動(dòng)態(tài)鏈接器需要分析重定位指令格式，以便將指令引用地址添加到該指令中。根據(jù)TMS320 DSP指令手冊(cè)，TMS320 DSP指令格式包括如圖4所示。

文中通過(guò)分析指令格式的低位比特位，可以判斷出指令屬于上述指令中的哪一類(lèi)。以指令0x0200007E為例，將指令表示為二進(jìn)制：(0000 0010 0000 0000 0000 0000 0111 1110)b，指令的2～3位為11，在圖4中查找2～3位為11的指令，可以發(fā)現(xiàn)該指令是一條STW存儲(chǔ)指令，指令的ucst15比特域表示了其需要重定位的地址。
2．2．3 模塊動(dòng)態(tài)鏈接的實(shí)現(xiàn)
動(dòng)態(tài)鏈接器的功能主要包括模塊的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)卸載，模塊動(dòng)態(tài)鏈接的主要流程如圖5所示。動(dòng)態(tài)鏈接器在收到加載模塊請(qǐng)求時(shí)，首先檢查模塊文件的完整性，并根據(jù)加載模塊的依賴(lài)信息在系統(tǒng)符號(hào)表中查找對(duì)應(yīng)的函數(shù)和變量。當(dāng)模塊通過(guò)完整性和依賴(lài)性檢查后，動(dòng)態(tài)鏈接器首先根據(jù)模塊大小聲明，在系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間中分配空間，將模塊文件加載到系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。接著動(dòng)態(tài)鏈接器根據(jù)COFF文件信息，搜索COFF文件代碼段中的重定位語(yǔ)句，并根據(jù)指令格式確定指令中地址域信息，最后將綜合模塊被加載的地址和指令索引的符號(hào)的地址，計(jì)算地址信息，并將此信息填入可重定位指令的地址域，完成指令的重定位。在代碼段重定位完成后，動(dòng)態(tài)鏈接器將模塊名稱(chēng)、模塊對(duì)外提供的函數(shù)名稱(chēng)、模塊入口地址等信息注冊(cè)到系統(tǒng)符號(hào)表中，并調(diào)用模塊加載函數(shù)，完成模塊對(duì)系統(tǒng)資源的申請(qǐng)。最后，如果該模塊所提供的函數(shù)或者變量替換了系統(tǒng)已有的函數(shù)或者變量，動(dòng)態(tài)鏈接器還需要將所有引用該函數(shù)或變量的其他模塊進(jìn)行重定位，以反映系統(tǒng)狀態(tài)的更新。

2．2．4 模塊動(dòng)態(tài)卸載的實(shí)現(xiàn)
模塊動(dòng)態(tài)卸載是加載過(guò)程的逆過(guò)程，動(dòng)態(tài)鏈接器在收到卸載模塊請(qǐng)求時(shí)，首先在系統(tǒng)中搜索是否有模塊引用了將要被卸載的模塊，若存在則警告用戶(hù)，并等待用戶(hù)確實(shí)是否強(qiáng)制卸載。若是，動(dòng)態(tài)鏈接器將卸載模塊對(duì)外提供的函數(shù)和變量從系統(tǒng)符號(hào)表中刪除，并收回卸載模塊占用的系統(tǒng)空間。完整的模塊動(dòng)態(tài)卸載流程如圖6所示。

3 結(jié)論
文中設(shè)計(jì)的DSP動(dòng)態(tài)鏈接器為傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)帶來(lái)新的應(yīng)用功能，已在某多功能通信系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)作為DSP系統(tǒng)的重配置技術(shù)之一，其應(yīng)用要比傳統(tǒng)的DSP全系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)或疊加技術(shù)更為靈活和高效。同時(shí)，本文提出的動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)相對(duì)于文獻(xiàn)，文獻(xiàn)提出的函數(shù)查找表的實(shí)現(xiàn)方式更加富有效率。盡管目前動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用很少，但隨著DSP應(yīng)用向多功能發(fā)展，相信動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。