摘要 從ARM ELF目標文件主要構成出發，詳細介紹了分散加載的基本原理、分散加載文件的語法、分散加載時連接器生成的預定義符號及要重新實現的函數等；以定位目標外設和定義超大型結構體數組兩項應用來加以說明，并給出完整的工程實例和Bootloader代碼。這些都已經在實際工程中多次應用和驗證，是筆者實際工程項目的萃取。
關鍵詞 分散加載 嵌入式系統 Scatter Loading Bootloader ARM ELF

引 言
    在當今的嵌入式系統設計中，ARM處理器以價格便宜、功耗低、集成度高、外設資源豐富和易于使用的特點而得到廣泛的應用；在速度和性能方面已達到或超過部分PC104嵌入式計算機的性能，而成本卻比相應的PC104計算機低很多，廣泛應用于手機、GPS接收機、地圖導航、路由器、以太網交換機及其他民用和工業電子設備。
    在一個采用ARM處理器的實時嵌入式系統中，目標硬件常常由Flash、SRAM、SDRAM和NVRAM(非易失性RAM)等存儲器組成，并定位于不同的物理地址范圍，那么，怎樣通過軟件更好地訪問和利用這些不同的存儲器并讓系統高效地運行?分散加載(scatter loading)就提供了這樣一種機制。它可以將內存變量定位于不同的物理地址上的存儲器或端口，通過訪問內存變量即可達到訪問外部存儲器或外設的目的；同時通過分散加載，讓大多數程序代碼在高速的內部RAM中運行，從而使得系統的實時性大大增強。

1 ARM ELF目標文件的主要構成
    ARM ELF(Executable and Linking Format)目標文件主要由．Text段、．Data段、．BSS段構成，其他段如．debug段、．comment段等與本文關系不大，不作介紹。
    ．Text段由可執行代碼組成，段類型為Code，屬性為RO；
    ．Data段由已初始化數據組成，段類型為Data，屬性為RO；
    ．BSS段由未初始化數據組成，段類型為Zero，屬性為RW，在應用程序啟動時對該段的數據初始化為零。如果在分散加載文件中指定了UNINIT屬性，則在應用程序啟動時不初始化該段。

2 分散加載的基本原理
    假設一個采用ARM處理器的實時嵌入式系統目標硬件的存儲器由ROM存儲器和RAM存儲器組成。當一個嵌入式系統在仿真環境下調試完畢，需要脫機運行的時候，就需要將源程序編譯連接成可執行目標代碼并燒寫到ROM存儲器中。由于ROM存儲器存取數據的速率比RAM存儲器慢，因此，讓程序在ROM存儲器中運行。CPU每次取指令和取數據操作都要訪問ROM存儲器，這樣需要在CPU的總線周期中插入等待周期，通過降低總線的速率來滿足訪問慢速的ROM存儲器，這樣勢必會降低CPU的運行速率和效率，因此，分散加載就顯得非常必要。
    ARM的連接器提供了一種分散加載機制，在連接時可以根據分散加載文件(．scf文件)中指定的存儲器分配方案，將可執行鏡像文件分成指定的分區并定位于指定的存儲器物理地址。這樣，當嵌入式系統在復位或重新上電時，在對CPU相應寄存器進行初始化后，首先執行ROM存儲器的Bootloader(自舉)代碼，根據連接時的存儲器分配方案，將相應代碼和數據由加載地址拷貝到運行地址，這樣，定位在RAM存儲器的代碼和數據就在RAM存儲器中運行，而不再從ROM存儲器中取數據或取指令，從而大大提高了CPU的運行速率和效率。分散加載的基本原理如圖1所示。

3 分散加載文件語法

   在一個實時嵌入式系統中，分散加載文件是對目標硬件中的多個存儲器塊的分塊描述，它直接對應目標硬件存儲器的起始地址和范圍。同時，它在應用程序連接時用于告訴連接器用戶程序代碼和數據的加載地址和運行地址，在連接時由連接器產生相應的加載地址和運行地址符號，包括代碼和數據的加載起始地址、運行地址和長度等。這些符號用于上電后執行啟動代碼的數據拷貝工作，啟動代碼根據這些符號，將指定代碼和數據由ROM中的加載地址拷貝到RAM中的運行地址中，從而實現代碼在高速RAM存儲器中的脫機運行。其語法格式如下：

   
    注意：
    ①每一個分散加載文件必須至少包含一個根區，每個根區的加載地址等于執行地址。
    ②每一個引導區必須至少包含一個執行區，每一個執行區必須至少包含一個代碼段或數據段；一個引導區可以包含幾個執行區，每一個執行區只能屬于一個引導區。

4 分散加載時連接器生成的預定義符號
    在編譯連接時如果指定了分散加載文件(．scf文件)，在連接后會自動生成如下變量：

   
5 重新實現_user_initial_stEickheap()函數
    分散加載機制提供了一種指定代碼和靜態數據布局的方法。使用分散加載時，必須重新放置堆棧和堆。
    應用程序的堆棧(stack)和堆(heap)是在C庫函數初始化過程中建立起來的，在ADSl．2或更新版本中，在缺省狀態下C庫函數初始化代碼會將連接器生成的符號Image$$ZI$$Limit地址作為堆的基地址。在分散加載時，連接器會將用戶的__user_initidl_stackheap()函數代替C庫函數默認的堆棧和堆初始化函數，并將其連接到用戶的鏡像文件中，用戶可通過重新實現__user_initial_stackheap()函數來改變堆棧和堆的位置，從而適合自己的目標硬件。

    __user_initial_stackheap()可以用C或匯編語言來實現。它必須返回如下參數：

    r0—堆基地址；

    r1—堆?；刂?；

    r2—堆長度限制值（需要的話）；

    r3—堆棧長度限制值（需要的話）。
    當用戶使用分散加載功能的時候，必須重新實現一user_initial_staacklaeap()，否則連接器會報錯：
    Error：L6218E：Undefined symbol Imager$$ZI$$一Limit(referred from sys_stackheap．o)。
    注：Image$$ZI$$Limit變量為零初始化段(ZI段)的末地址。未使用分散加載時，堆默認就定位在ZI段的末地址，如圖2所示。

  __user_initial_stackheap()函數的實現有兩種方法。
    (1)共用一個存儲區
    匯編語言如下：

    
    這種方式定義的堆棧和堆共用一個存儲區，采用相向的增長方向，如圖3所示。

    (2)使用兩個存儲區
    匯編語言如下：

   
    這種方式定義的堆棧和堆分別采用兩個不同存儲區。堆棧采用向下增長，從地址Ox40000到地址Ox20000；堆采用向上增長，從地址0x28000000到地址0x28080000，如圖4所示。

6 特殊應用

6. 1 定位目標外設
    使用分散加載，可以將用戶定義的結構體或代碼定位到指定物理地址上的外設，這種外設可以是定時器、實時時鐘、靜態SRAM或者是兩個處理器間用于數據和指令通信的雙端口存儲器等。在程序中不必直接訪問相應外設，只需訪問相應的內存變量即可實現對指定外設的操作，因為相應的內存變量定位在指定的外設上。這樣，對外設的訪問看不到相應的指針操作，對結構體成員的訪問即可實現對外設相應存儲單元的訪問，讓程序員感覺到仿佛沒有外設，只有內存。
    例如，一個帶有兩個32位寄存器的定時器外設，在系統中的物理地址為Ox04000000，其C語言結構描述如下：

   
    要使用分散加載將上述結構體定位到Ox04000000的物理地址，可以將上述結構體放在一個文件名為timer_regs．c中，并在分散加載文件中指定即可，如下：

    屬性UNINIT是避免在應用程序啟動時對該執行段的ZI數據段初始化為零。
    在程序連接后，通過Image map文件可查看該ZI數據段的存儲器分配情況：
    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從Image map文件可以看出，該TIMER執行區定位在物理地址0x04000000，即結構體timer_regs定位在Ox04000000，因此，在程序中對結構體的操作即是對定時器的操作。
6．2 定義超大型結構體數組
    分散加載機制在提供將指定代碼和數據定位在指定物理地址的能力的同時，也提供了一種代碼分割機制——可以將指定的零初始化段(ZI段)從可執行代碼中分離出來。這樣終生成的燒入ROM或Flash中的鏡像文件就不包括那部分分割了的零初始化段，即使該零初始化段再大，也不影響終生成的鏡像文件的大小。但不采用分散加載機制，零初始化段在編譯連接后是直接生成到鏡像文件中的。它的大小直接影響終要燒寫的文件的大小，且零初始化段的大小還取決于內存的大小，它不能大到超過內存的大?。欢捎梅稚⒓虞d機制，可以將某個零初始化段定位到非內存地址的一個存儲器外設上，如NVRAM(非易失性隨機存儲器)。
    筆者曾在一個實際工程中采用這種分散加載機制，將一個2MB的結構體數組定位到外部NVRAM中，用于記錄設備在工作過程中采集到的數據；而在本系統中，ARM處理器的內存只有256 KB，Flash存儲器也只有2 MB。如果不采用分散加載，程序根本無法運行，也不能燒寫到Flash中。
    采用分散加載，把對復雜外設的訪問變成對結構體數組的訪問，使程序代碼精簡易懂。對程序員來說，對結構體數組的操作還是和內存變量的操作一樣的。
    編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www．mesnet．com．cn。

結 語
    分散加載是嵌入式系統應用中不可或缺的一種加載方式，ARM、DSP、PowerPC和MIPS等嵌入式處理器，都離不開分散加載。這種分散加載的思想是通用的，只是不同處理器的實現方式不同。
    本文詳細闡述了基于ARM處理器的分散加載方法及其特殊應用，并以實際工程為例來說明怎樣實現分散加載及使用分散加載的好處。它是筆者在實際工程應用中的心得體會，同時也是筆者工作經驗的總結，希望本文對從事嵌入式系統設計和應用的工程技術人員能有所幫助。