ARM处理器的分散加载及特殊应用研究

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                    　　摘要：从ARM ELF目标文件主要构成出发，详细介绍了分散加载的基本原理、分散加载文件的语法、分散加载时连接器生成的预定义符号及要重新实现的函数等；以定位目标外设和定义超大型结构体数组两项应用来加以说明，并给出完整的工程实例和Bootloader代码。这些都已经在实际工程中多次应用和验证，是笔者实际工程项目的萃取。
　　引 言
　　在当今的嵌入式系统设计中，ARM处理器以价格便宜、功耗低、集成度高、外设资源丰富和易于使用的特点而得到广泛的应用；在速度和性能方面已达到或超过部分PC104嵌入式计算机的性能，而成本却比相应的PC104计算机低很多，广泛应用于手机、GPS接收机、地图导航、路由器、以太网交换机及其他民用和工业电子设备。
　　在一个采用ARM处理器的实时嵌入式系统中，目标硬件常常由Flash、SRAM、SDRAM和NVRAM(非易失性RAM)等存储器组成，并定位于不同的物理地址范围，那么，怎样通过软件更好地访问和利用这些不同的存储器并让系统高效地运行?分散加载(scatter loading)就提供了这样一种机制。它可以将内存变量定位于不同的物理地址上的存储器或端口，通过访问内存变量即可达到访问外部存储器或外设的目的；同时通过分散加载，让大多数程序代码在高速的内部RAM中运行，从而使得系统的实时性大大增强。
　　1 ARM ELF目标文件的主要构成
　　ARM ELF(Executable and Linking Format)目标文件主要由．Text段、．Data段、．BSS段构成，其他段如．debug段、．comment段等与本文关系不大，不作介绍。
　　．Text段由可执行代码组成，段类型为Code，属性为RO；
　　．Data段由已初始化数据组成，段类型为Data，属性为RO；
　　．BSS段由未初始化数据组成，段类型为Zero，属性为RW，在应用程序启动时对该段的数据初始化为零。如果在分散加载文件中指定了UNINIT属性，则在应用程序启动时不初始化该段。
　　2 分散加载的基本原理
　　假设一个采用ARM处理器的实时嵌入式系统目标硬件的存储器由ROM存储器和RAM存储器组成。当一个嵌入式系统在仿真环境下调试完毕，需要脱机运行的时候，就需要将源程序编译连接成可执行目标代码并烧写到ROM存储器中。由于ROM存储器存取数据的速率比RAM存储器慢，因此，让程序在ROM存储器中运行。CPU每次取指令和取数据操作都要访问ROM存储器，这样需要在CPU的总线周期中插入等待周期，通过降低总线的速率来满足访问慢速的ROM存储器，这样势必会降低CPU的运行速率和效率，因此，分散加载就显得非常必要。
　　ARM的连接器提供了一种分散加载机制，在连接时可以根据分散加载文件(．scf文件)中指定的存储器分配方案，将可执行镜像文件分成指定的分区并定位于指定的存储器物理地址。这样，当嵌入式系统在复位或重新上电时，在对CPU相应寄存器进行初始化后，首先执行ROM存储器的Bootloader(自举)代码，根据连接时的存储器分配方案，将相应代码和数据由加载地址拷贝到运行地址，这样，定位在RAM存储器的代码和数据就在RAM存储器中运行，而不再从ROM存储器中取数据或取指令，从而大大提高了CPU的运行速率和效率。分散加载的基本原理如图1所示。






　　注意：
　　①每一个分散加载文件必须至少包含一个根区，每个根区的加载地址等于执行地址。
　　②每一个引导区必须至少包含一个执行区，每一个执行区必须至少包含一个代码段或数据段；一个引导区可以包含几个执行区，每一个执行区只能属于一个引导区。
　　4 分散加载时连接器生成的预定义符号
　　在编译连接时如果指定了分散加载文件(．scf文件)，在连接后会自动生成如下变量：






　　__user_initial_stackheap()函数的实现有两种方法。
　　(1)共用一个存储区
　　汇编语言如下：






　　(2)使用两个存储区
　　汇编语言如下：










　　6 特殊应用
　　6. 1 定位目标外设
　　使用分散加载，可以将用户定义的结构体或代码定位到指定物理地址上的外设，这种外设可以是定时器、实时时钟、静态SRAM或者是两个处理器间用于数据和指令通信的双端口存储器等。在程序中不必直接访问相应外设，只需访问相应的内存变量即可实现对指定外设的操作，因为相应的内存变量定位在指定的外设上。这样，对外设的访问看不到相应的指针操作，对结构体成员的访问即可实现对外设相应存储单元的访问，让程序员感觉到仿佛没有外设，只有内存。
　　例如，一个带有两个32位寄存器的定时器外设，在系统中的物理地址为Ox04000000，其C语言结构描述如下：








　　属性UNINIT是避免在应用程序启动时对该执行段的ZI数据段初始化为零。
　　在程序连接后，通过Image map文件可查看该ZI数据段的存储器分配情况：
　　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从Image map文件可以看出，该TIMER执行区定位在物理地址0x04000000，即结构体timer_regs定位在Ox04000000，因此，在程序中对结构体的操作即是对定时器的操作。
　　6．2 定义超大型结构体数组
　　分散加载机制在提供将指定代码和数据定位在指定物理地址的能力的同时，也提供了一种代码分割机制——可以将指定的零初始化段(ZI段)从可执行代码中分离出来。这样最终生成的烧入ROM或Flash中的镜像文件就不包括那部分分割了的零初始化段，即使该零初始化段再大，也不影响最终生成的镜像文件的大小。但不采用分散加载机制，零初始化段在编译连接后是直接生成到镜像文件中的。它的大小直接影响最终要烧写的文件的大小，且零初始化段的大小还取决于内存的大小，它不能大到超过内存的大小；而采用分散加载机制，可以将某个零初始化段定位到非内存地址的一个存储器外设上，如NVRAM(非易失性随机存储器)。
　　笔者曾在一个实际工程中采用这种分散加载机制，将一个2MB的结构体数组定位到外部NVRAM中，用于记录设备在工作过程中采集到的数据；而在本系统中，ARM处理器的内存只有256 KB，Flash存储器也只有2 MB。如果不采用分散加载，程序根本无法运行，也不能烧写到Flash中。
　　采用分散加载，把对复杂外设的访问变成对结构体数组的访问，使程序代码精简易懂。对程序员来说，对结构体数组的操作还是和内存变量的操作一样的。
　　结 语
　　分散加载是嵌入式系统应用中不可或缺的一种加载方式，ARM、DSP、PowerPC和MIPS等嵌入式处理器，都离不开分散加载。这种分散加载的思想是通用的，只是不同处理器的实现方式不同。
　　本文详细阐述了基于ARM处理器的分散加载方法及其特殊应用，并以实际工程为例来说明怎样实现分散加载及使用分散加载的好处。它是笔者在实际工程应用中的心得体会，同时也是笔者工作经验的总结，希望本文对从事嵌入式系统设计和应用的工程技术人员能有所帮助。