SoC嵌入式软件架构设计之五 ：可执行程序的重构

Posted 2020-09-10

  低端控制器对执行效率要求很高，成本敏感，因而SoC内置SRAM是紧缺资源。代码分块管理就是为了充分利用内存，提高内存的复用效率而提出的一种设计方法。代码分块管理不仅涉及到硬件，同样对操作系统和应用、驱动的设计都有要求，这些模块共同努力以使执行效率达到最高。

          本节讲述代码分块（Bank）管理思想下可执行文件的重构，即对程序编译后的可执行文件进行重新组织、打包，以在加载阶段获得最高的执行效率，减少内存占用。要使执行效率高，意味着可执行文件的格式尽可能简单，解析执行文件的流程简单，相应地，解析过程代码量少，即能够减少内存的占用。

          keil产生的Hex或者Bin，其实也是keil对axf调试文件进行抽取，重新打包生成。Hex和Bin可以通过烧写器下载到flash。GCC工具链会生成可执行格式ELF，也可以离线对ELF格式内容进行抽取，重新打包生产Hex格式，并烧写到flash中。本次讲述的是可执行文件存储在外存储设备（card，nand flash，硬盘）中，在运行前由操作系统将其加载到内存再执行这种情况。

          要对工具链生成的可执行文件（如ELF）进行重构，自然需要熟悉该执行文件的格式，如ELF，里面会包括文件头，SECTION节，符号段，代码段，数据段，还有调试信息等等。而程序的运行往往只需要其中较少的段信息。可执行文件就是要得到必要的段的信息和数据，将不必要的通通删除，并且根据代码分块管理的特点进行自定义格式的编制。这里不再对ELF等标准执行文件进行分析（以后可能另写文章），只描述重构后的目标格式，看看什么段信息和数据是操作系统必要要知道和获取的。

            1. 文件头

            1）格式标识符，如应用，驱动等

            2）版本号

            3）常驻代码段在文件中偏移

            4）常驻代码长度

            5）常驻代码段在内存中的起始地址

            6）常驻数据(.DATA)段在文件中偏移

            7）常驻数据(.DATA)长度

            8）常驻数据段(.DATA)在内存中的起始地址

            9）.bss段长度

            10）.bss段在内存中的起始地址

            11）程序入口地址ENTRY：第一行代码的地址，不是main哦，是运行时库的一行代码地址

            12）reserved，对齐到扇区或者1024字节。如果是驱动类型，则会增加两个字段：驱动入口地址和驱动退出地址。             

             2. 代码块头

             1）第一个Bank组的头，按顺序是第一个Bank的块信息、第二个Bank的块信息、。。。第N个Bank的块信息。一个Bank组最大含有N个Bank，不够的填0.

             2）第二个Bank组的头，按顺序是第一个Bank的块信息、第二个Bank的块信息、。。。第N个Bank的块信息。一个Bank组最大含有N个Bank，不够的填0.

             .....

             有几个Bank组由文件头的格式标识符来判定，由架构师事先约定。

             每个Bank块的块信息包括：bank块数据（代码和数据）在文件中的偏移，Bank长度，BAnk对应的内存地址。

 

　　　　３.常驻代码段数据，对齐扇区

　　　　４.常驻数据段数据，对齐扇区

　　　　５.第一组Bank的数据，对齐扇区，只记录真实的Bank数据，一个Bank组不够N个bank时不需补0.

              6. 第二组Bank的数据，对齐扇区，只记录真实的Bank数据，一个Bank组不够N个bank时不需补0.

              7. 最后一个组的Bank数据。

 

         加载时解析该文件头，获得常驻代码段和数据段的信息，将两者加载到内存，对Bss段清0，然后读取到程序的ENTRY入口，跳到该地址执行即可，简单高效！

         Bank切换时，根据Bank组号和Bank号即快速定位到Bank的段信息地址，读出该Bank在文件中的偏移和Bank长度，进而读取并加载到复用的内存空间。