什么是分散加载文件

 

分散加载文件(scatter file)是一个文本文件,它的作用是可以用于描述 ARM 链接器生成映像文件所需要的信息。

 

如果不使用 scatter file 文件来指定,那么 ARM 链接器会按照默认的方式来生成映像文件,但是对于某些应用场景来说,我们希望能够将一些数据放在指定的位置,这个时候,分散加载文件就发挥其作用了。

 

何时进行分散加载

 

在之前的一篇文章 MCU 是如何从上电复位运行到 main 函数的?中详细叙述了MCU运行到 main 函数之前所做的操作。简而言之,主要做了如下三个工作:

 

堆栈以及堆的初始化

定位中断向量表

调用 Reset Handler

 

下图列出了ARM Cortex M4系列芯片的一个启动流程,厂商不一样,会存在细微的差别。

 

 

由上述启动流程可以看到,分散加载操作是在 __main() 函数内部完成的,紧接着,就运行 C 语言运行环境初始化 & C Library 的初始化。

 

分散加载的原理

 

在理解分散加载的原理之前,需要明白以下几个概念:

Code: 为程序代码部分

RO-Data: 表示程序定义的常量及const型数据

RW-Data:表示已经初始化的静态变量,变量有初值

ZI-Data: 表示未初始化的静态变量,变量无初值

 

除此之外,因为分散加载的机制是将不同代码放在不同的存储空间,因此还需要了解代码的映像文件的基本概念。ARM 映像文件其实就是源文件经编译器生成的目标文件 .obj(object file)和相应的 C/C++ 运行时库( Runtime Library )经过连接器的处理后,生成的 axf 格式的映像文件,它可以直接烧录到目标设备的 ROM 中直接运行或加载后运行。映像文件的组成如下所示:

 

映像文件的组成

 

由上图可以知道,映像文件由域(区)、输出段(节)和输入段(节)的层次结构组成:

 

输入段:输入段包含代码、初始化数据,或描述未初始化的或在映像执行之前必须设定为 0 的内存片段。这些特性通过 RO 、 RW 和 ZI 这样的属性来表示。

 

输出段:一个输出段由若干个具有相同 RO 、 RW 或 ZI 属性的相邻输入段组成。输出段的属性与组成它的输入段的属性相同 。

 

域:一个域由一个、两个或者三个相邻的输出段组成。区中的输出段根据其属性排序。首先是 RO 输出段,然后是 RW 输出段,最后是 ZI 输出段。域通常映射到物理内存设备,如 ROM 、 RAM 或外围设备。

 

ARM 映像文件各组成部分在存储系统中的地址有两种:

装载域

运行域

 

在一个简单的嵌入式计算机系统中,存储器一般分为ROM和RAM。链接器生成的映像被分为“Read-Only”段和“Read-Write”段(包含已初始化数据和未初始化数据)。通常来说,在程序下载的时候,他们会被下载到ROM上,而在程序开始执行的时候,Read-Write段会从ROM被Copy到RAM,下面就是这个加载过程的示意图。

 

装载域和运行域示意图


以上只是一个简单的例子,但是在比较复杂的嵌入式系统中,其存储器往往还包括ROM,SRAM,DRAM,FLASH等等,这个时候就需要分散加载文件了。

 

分散加载的语法

 

分散加载文件主要由一个加载时域(区)和多个运行时域(区)组成,其大致结构如下图所示:

 

 

本次先介绍一种简单的情况,一个Cortex M3系列的微控制器有Flash和RAM资源如下所示:

Flash基址:0x00000000,大小256KB;

RAM基址:0x10000000,大小32KB

 

那么分散加载文件可以这么写:

 

LR_IROM1 0x00000000 0x00040000        ;定义一个加载域,域基址为0x00000000,大小为0x00040000
{                                     ;对应着实际的 Flash 的大小
    ER_IROM1 0x00000000 0x00040000    ;定义一个运行域,第一个运行域必须和加载域起始地址相同
    {
        *.o(RESER,+First)             ;将RESET最先加载到本域的起始地址,即RESET的起始地址为0
        .ANY(+RO)                     ;加载所有匹配目标文件的只读属性数据,包含:Code,RW-Data
    }

    RW_IRAM1 0x10000000 0x00008000    ;定义一个运行时域,域基址为0x10000000,域大小为 0x00008000
    {
        *(+RW+ZI)                   ;加载所有匹配目标文件的RW-Data,ZI-Data
    }
}

 

总结

 

上述就是关于分散加载的叙述,所举的例子比较简单,在后续的文章中,将针对于其较为复杂的应用进行阐述,欢迎关注wenzi嵌入式软件公众号~