2019年11月08日 | ARM9学习2-ARM镜像文件和Scatter文件

ARM映像文件

什么是arm的映像文件    arm映像文件其实就是可执行文件，包括bin或hex两种格式，可以直接烧到rom里执行。在axd调试过程中，我们调试的是axf文件，其实这也是一种映像文件，它只是在bin文件中加了一个文件头和一些调试信息。映像文件的组成
ARM映像文件是一个层次性结构的文件，包括了域（region），输出段(output section)和输入段(input section)。所谓域，指的就是整个bin映像文件所处在的区域，它又分为加载域和运行域。加载域就是映像文件被静态存放的工作区域，一般来说flash里的 整个bin文件所在的地址空间就是加载域，当然在程序一般都不会放在 flash里执行，一般都会搬到sdram里运行工作，它们在被搬到sdram里工作所处的地址空间就是运行域。ARM映像文件一开始总是存储在ROM／Flash里面的，其RO部分既可以在ROM／Flash里面执行，也可以转移到速度更快的RAM中执行；而RW和ZI这两部分是必须转移到可写的RAM里去，其实RW包括ZI区域。什么是RO段、RW段和ZI段一个ARM程序包含3部分：RO，RW和ZI

RO就是ReadOnly，程序中的指令和常量

RW就是Read/Write，程序中的已初始化变量

ZI就是Zero Init，程序中的未初始化的变量

Image文件包含了RO和RW数据。
    之所以Image文件不包含ZI数据，是因为ZI数据都是0，没必要包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可。包含进去反而浪费存储空间。
Q：为什么Image中必须包含RO和RW？
A：因为RO中的指令和常量以及RW中初始化过的变量是不能像ZI那样“无中生有”的。
ARM程序的执行过程
    从以上两点可以知道，烧录到ROM中的image文件与实际运行时的ARM程序之间并不是完全一样的。因此就有必要了解ARM程序是如何从ROM中的image到达实际运行状态的。
实际上，RO中的指令至少应该有这样的功能：
1. 将RW从ROM中搬到RAM中，因为RW是变量，变量不能存在ROM中。
2. 将ZI所在的RAM区域全部清零，因为ZI区域并不在Image中，所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量，同理：变量不能存在ROM中
    在程序运行的最初阶段，RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。

为了更直观说明RO,RW,ZI在C中的意思，请看下面例子： 
1)RO
    看下面两段程序，他们之间差了一条语句，这条语句就是声明一个字符常量。因此按照我们之前说的，他们之间应该只会在RO数据中相差一个字节（字符常量为1字节）。
Prog1：
#include
void main(void)
{
;
}
Prog2：
#include
const char a = 5；
void main(void)
{
;
}

Prog1编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
===========================================================

Prog2编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 61 0 96 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1009 ( 0.99kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
===========================================================
    以上两个程序编译出来后的信息可以看出：
    Prog1和Prog2的RO包含了Code和RO Data两类数据。他们的唯一区别就是Prog2的RO Data比Prog1多了1个字节。这正和之前的推测一致。
如果增加的是一条指令而不是一个常量，则结果应该是Code数据大小有差别。

2)RW同样再看两个程序，他们之间只相差一个“已初始化的变量”，按照之前所讲的，已初始化的变量应该是算在RW中的，所以两个程序之间应该是RW大小有区别。
Prog3：
#include
void main(void)
{
;
}
Prog4：
#include
char a = 5；
void main(void)
{
;
}

Prog3编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
===========================================================

Prog4编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 1 96 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
===========================================================
    可以看出Prog3和Prog4之间确实只有RW Data之间相差了1个字节，这个字节正是被初始化过的一个字符型变量“a”所引起的。

3) ZI
    再看两个程序，他们之间的差别是一个未初始化的变量“a”，从之前的了解中，应该可以推测，这两个程序之间应该只有ZI大小有差别。
Prog5：
#include
void main(void)
{
;
}
Prog6：
#include
char a；
void main(void)
{
;
}

Prog5编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
===========================================================

Prog6编译出来后的信息如下：
===========================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 97 0 Grand Totals
===========================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
===========================================================
    编译的结果完全符合推测，只有ZI数据相差了1个字节。这个字节正是未初始化的一个字符型变量“a”所引起的。
注意：如果一个变量被初始化为0，则该变量的处理方法与未初始化华变量一样放在ZI区域。

即：ARM C程序中，所有的未初始化变量都会被自动初始化为0。
总结：
1)C中的指令以及常量被编译后是RO类型数据。
2)C中的未被初始化或初始化为0的变量编译后是ZI类型数据。
3) C中的已被初始化成非0值的变量编译后市RW类型数据。
附：
程序的编译命令（假定C程序名为tst.c）：
armcc -c -o tst.o tst.c
armlink -noremove -elf -nodebug -info totals -info sizes -map -list aa.map -o tst.elf tst.o
编译后的信息就在aa.map文件中。
ROM主要指：NAND Flash，Nor Flash
RAM主要指：PSRAM，SDRAM，SRAM，DDRAM

启动代码中Image$$??$$Limit 的含义

对于刚学习ARM的人来说，如果分析它的启动代码，往往不明白下面几个变量的含义：|Image$$RO$$Limit|、|Image$$RW$$Base|、|Image$$ZI$$Base|。

|Image$$RO$$Base| ：RO段起始地址
|Image$$RO$$Limit| ：RO段结束地址加1
|Image$$RW$$Base| ：RW段起始地址
|Image$$RW$$Limit| ：ZI段结束地址加1
|Image$$ZI$$Base|  ：ZI段起始地址
|Image$$ZI$$Limit|  ：ZI段结束地址加1

首先申明我使用的调试软件为ADS1.2，当我们把程序编写好以后，就要进行编译和链接了，在ADS1.2中选择MAKE按钮，会出现一个Errors and Warnings 的对话框，在该栏中显示编译和链接的结果，如果没有错误，在文件的最后应该能看到Image component sizes，后面紧跟的依次是Code，RO Data ，RW Data ，ZI Data ，Debug 各个项目的字节数，最后会有他们的一个统计数据：

Code 163632 ，RO Data 20939 ，RW Data 53 ，ZI Data 17028

Tatal RO size (Code+ RO Data)              184571 (180.25kB)

Tatal RW size(RW Data+ ZI Data)            17081(16.68 kB)

Tatal ROM size(Code+ RO Data+ RW Data)   184624(180.30 kB)

后面的字节数是根据用户不同的程序而来的，下面就以上面的数据为例来介绍那几个变量的计算。

在ADS的Debug Settings中有一栏是Linker/ARM Linker，在output选项中有一个RO base选项，下面应该有一个地址，我这里是0x0c100000，后面的RW base 地址是0x0c200000，然后在Options选项中有Image entry point ，是一个初始程序的入口地址，我这里是0x0c100000 。

Linker/ARM Linker：RO base—0x0c100000  RW base—0x0c200000

Options：Image entry point—0x0c100000

有了上面这些信息我们就可以完全知道这几个变量是怎么来的了：

|Image$$RO$$Base| = Image entry point = 0x0c100000 ;表示程序代码存放的起始地址

|Image$$RO$$Limit|=程序代码起始地址+代码长度+1=0x0c100000+Tatal RO size+1

= 0x0c100000 + 184571 + 1 = 0x0c100000 +0x2D0FB + 1

= 0x0c12d0fc

|Image$$RW$$Base| = 0x0c200000 ;由RW base 地址指定

|Image$$RW$$Limit| =|Image$$RW$$Base|+ RW Data 53 = 0x0c200000+0x37（4的倍数,0到55，共56个单元）

=0x0c200037

|Image$$ZI$$Base| = |Image$$RW$$Limit| + 1 =0x0c200038

|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$ZI$$Base| + ZI Data 17028

=0x0c200038 + 0x4284

=0x0c2042bc

也可以由此计算：

|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$RW$$Base| +TatalRWsize(RWData+ZIData) 17081

=0x0c200000+0x42b9+3（要满足4的倍数）

=0x0c2042bc

2410启动代码注释

BaseOfROM DCD |Image$$RO$$Base|
TopOfROM  DCD |Image$$RO$$Limit|
BaseOfBSS DCD |Image$$RW$$Base|
BaseOfZero DCD |Image$$ZI$$Base|
EndOfBSS DCD |Image$$ZI$$Limit|

adr r0, ResetEntry;ResetEntry是复位运行时域的起始地址，在boot nand中一般是0
ldr r2, BaseOfROM;
cmp r0, r2
ldreq r0, TopOfROM;TopOfROM=0x30001de0，代码段地址的结束
beq InitRam 
ldr r3, TopOfROM

;part 1，通过比较，将ro搬到sdram里，搬到的目的地址从 | Image$$RO$$Base| 开始，到|Image$$RO$$Limit|结束

0 
ldmia r0!, {r4-r7}
stmia r2!, {r4-r7}
cmp r2, r3
bcc %B0;

;part 2，搬rw段到sdram，目的地址从|Image$$RW$$Base| 开始，到|Image$$ZI$$Base|结束
sub r2, r2, r3;r2=0
sub r0, r0, r2;
InitRam ;carry rw to baseofBSS
ldr r2, BaseOfBSS ;TopOfROM=0x30001de0,baseofrw
ldr r3, BaseOfZero ;BaseOfZero=0x30001de0
0
cmp r2, r3
ldrcc r1, [r0], #4
strcc r1, [r2], #4
bcc %B0

;part 3，将sdram zi初始化为0，地址从|Image$$ZI$$Base|到|Image$$ZI$$Limit|
mov r0, #0;init 0
ldr r3, EndOfBSS;EndOfBSS=30001e40
1 
cmp r2, r3
strcc r0, [r2], #4
bcc %B1

一个Scatter文件描述的地址映射关系实例：