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MDK 分散加載檔案剖析(一)

2021-12-27 08:46:47 其他

1、何為分散加載?

1.1 簡介

分散加載就是我們開發者能指定你的 代碼 或者 資料變數 到指定的記憶體空間中運行,通知聯結器把程式的某一部分連接在存盤器的某個地址空間,我們可以通過撰寫一個分散加載檔案來指定 ARM 連接器在生成映像檔案時如何分配 Code、RO-Data, RW-Data, ZI-Data 等資料的存放地址,學習 MDK 分散加載檔案之前需要引入如下知識,本文章的 MCU 以 stm32 為例,

1.2 基礎知識

一般 MCU 包含的存盤空間有:片內 flash 與 片內 ram,flash 相當于硬碟,存盤進去的東西掉電后能保存,這也就是為什么將代碼燒錄到 MCU 中去運行的原因之一,ram 相當于記憶體,存盤程式中的變數,

以 MDK 為例,編譯完之后生成程式所占用的空間提示資訊,如下圖所示

 Build target 'rt-thread'
 compiling drv_lcd.c...
 linking...
 Program Size: Code=1346064 RO-data=204128 RW-data=8808 ZI-data=244308  
 After Build - User command #1: fromelf --bin .\build\keil\Obj\rt-thread.axf --output rtthread.bin
 ".\build\keil\Obj\rt-thread.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
 Build Time Elapsed:  00:00:15

上面提到的 Program Size 包含以下幾個部分:

  • Code:代碼段,存放程式的代碼部分;

  • RO-data:只讀資料段,存放程式中定義的常量;

  • RW-data:讀寫資料段,存放初始化為非 0 值的全域變數;

  • ZI-data:0 資料段,存放未初始化的全域變數及初始化為 0 的變數;

編譯完工程會生成一個. map 的檔案,該檔案說明了各個函式占用的尺寸和地址,在檔案的最后幾行也說明了上面幾個欄位的關系:

 Total RO  Size (Code + RO Data)              1550192 (1513.86kB)
 Total RW  Size (RW Data + ZI Data)            253116 ( 247.18kB)
 Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)    1553520 (1517.11kB)

程式運行之前,需要有檔案物體被燒錄到 MCU 的 flash 中,一般是 bin 或者 hex 檔案,該被燒錄檔案稱為可執行映像檔案(image 檔案),首先我們需要了解一個image檔案的構成,image 即編譯的產物,我們編譯 stm32 生成的 bin 檔案此處稱之為 image,一個image 檔案由 RO 段和 RW 段組成,RO 段包含只讀的代碼段和常量,RW 段包含可讀可寫的全域變數和靜態變數,因為程式剛運行時,RW 段還在 flash中,需要一段程式將這些變數復制到RAM中,stm32 的啟動檔案的 __main 函式幫我們完成了這一動作,RW段中初始值為0的段為 ZI 段,image 檔案無需包含 ZI 段,因為 ZI 段包含的是全域或靜態初始值為0的變數,只要在程式運行后,將對應的 RAM 區域清零即可,(此圖出自野火)

加載域:就是映像檔案被靜態存放的作業區域(一般指內部 flash),

運行域:程式運行起來的存盤區域,由于 MCU 內部的 Flash 是可以運行代碼的 (XIP 技術),但是不能用于變數也就是 RW-data 與 ZI-data 的加載,主要是因為變數是時時刻刻需要被修改的,運行幾分鐘就可能需要修改成百上千次,由于 flash 的擦寫次數是有限制的,一般是10萬次~100萬次之間,如果把 RW 和 ZI 放在 Flash 上,后果可想而知,因此需要把 RW-data,ZI-data 放到 ram 中去執行,一般是內部 sram,

2、分散加載檔案解讀

很多開發者會說我在開發專案時也沒用到過分散加載檔案啊? 事實上,mdk 默認幫你生成一個分散加載檔案,以 stm32f103zet6 為例,通過以下配置打開分散加載檔案,

以下即為 MDK 提供的默認分散加載方式,我將解讀每條代碼的含義,解讀之前必須了解的是,分散加載檔案中必須要有一個加載域,建議兩個運行域,

; *************************************************************
 ; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
 ; *************************************************************
 ?
 LR_IROM1 0x08000000 0x00080000  {    ; LR_IROM1 加載域名稱 0x08000000 加載域起始地址 0x00080000 加載域大小
   ER_IROM1 0x08000000 0x00080000  {  ; ER_IROM1 執行域名稱 0x08000000 執行域起始地址 0x00080000 執行域大小
    *.o (RESET, +First) ;RESET 段最先鏈接,RESET 段在啟動檔案中,代表中斷向量表,將這張表放到 flash 中的起始地址
    *(InRoot$$Sections);鏈接__main函式,該函式用于RW段資料的拷貝和ZI段資料的清零,__main被編譯器封裝起來,用戶看不到
    .ANY (+RO);加載所有匹配目標檔案的只讀屬性資料,包含:Code、RW-Code、RO-Data,
    .ANY (+XO);此處不理解,可看 mdk 幫助手冊進一步挖掘,洗掉掉也沒出錯,
   }
   RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000  {  ;第二個運行域
    .ANY (+RW +ZI);.ANY 將所有的具有 RW、ZI 屬性的變數鏈接到地址為 0x20000000 的區域,該區域為內部 sram 區,
   }
 }

C 語言中我們知道可以用 attribute 關鍵字將變數指定到某個地址,但是通過分散加載檔案可以更方便的將整個檔案包括函式地址,變數地址放到指定的地址處,比如 stm32H7 系列的單片機中,有高速記憶體區 TCM ( TCM : Tightly-Coupled Memory 緊密耦合記憶體),這塊區域的訪問速度極快,stm32H750 擁有高達 480Mhz 的主頻,這塊區域與內核速度一樣,因此將對運行速度要求極高的代碼,比如 GUI 繪圖這一程序,將這些繪圖代碼放到 TCM 空間去運行是很有必要的,此時就需要通過分散加載檔案指定某些代碼在特定的地址空間去執行,

3、如何將某些代碼放到指定的地址中運行

未完持續,

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