無需內(nèi)存管理單元的微控制器動態(tài)程序管理方法

(賽諾微醫(yī)療科技(浙江)有限公司 北京分公司，北京 100012)

引 言

在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)使用內(nèi)存管理單元(MMU)為每個進(jìn)程提供虛擬地址空間，MMU負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。物理地址對應(yīng)真實內(nèi)存，所有進(jìn)程共享物理內(nèi)存。進(jìn)程在設(shè)計時都假定其是系統(tǒng)中唯一的代碼，可以使用任何地址空間。出于對功耗和面積的考慮，嵌入式系統(tǒng)中多數(shù)微控制器(MCU)并沒有MMU單元，例如基于ARM Cortex-M架構(gòu)的系列處理器。

使用μCLinux可以在不具有MMU的MCU中動態(tài)加載程序。這引出一個問題：為什么不推薦μCLinux？首先，μCLinux對RAM的需求在兆字節(jié)級別，這對于許多小型系統(tǒng)來說過于龐大。此外，μCLinux需要一臺Linux計算機(jī)來編譯程序。最重要的一點是，已有的MCU程序要運行于μCLinux下，需要重寫代碼并更換開發(fā)環(huán)境。所以考慮到工作量及硬件成本，μCLinux并不是最佳選擇。

本文討論一種無需MMU即可實現(xiàn)系統(tǒng)運行時動態(tài)地添加、更新和刪除應(yīng)用程序的方法。本方法在工程實踐中取得了良好的效果。

1 硬件平臺及軟件開發(fā)環(huán)境

為便于闡述，給定如下硬件平臺及軟件開發(fā)環(huán)境。

假設(shè)有如下硬件系統(tǒng)：處理器基于Cortex-M內(nèi)核且沒有MMU單元；處理器通過擴(kuò)展總線與外部SRAM相連；通過SDIO接口與外部SD卡相連；通過SPI總線與外部SPI-Flash相連。硬件平臺框架示意圖如圖1所示。

圖1 硬件平臺框架示意圖

軟件開發(fā)使用IAR Embedded Workbench for ARM Version:6.30。

2 設(shè)計目標(biāo)

假設(shè)有5個可以正常工作于前述硬件平臺的獨立應(yīng)用程序，這些程序使用IAR開發(fā)，其名稱分別為app1～app5。現(xiàn)在，把app1裝入SPI-FLASHA，把app2裝入SPI-FLASHB，把app3～app5裝入SD卡(基于FAT文件系統(tǒng))。

設(shè)計一個程序管理器，可以按需動態(tài)裝載上述任意應(yīng)用程序并執(zhí)行。應(yīng)用程序執(zhí)行完畢或用戶中斷應(yīng)用程序后，系統(tǒng)控制權(quán)可以返回程序管理器，以便后續(xù)加載應(yīng)用程序。

3 程序管理器與程序加載器

程序管理器與程序加載器都可以稱為loader，但兩者的工作機(jī)制有很大不同。一般來說，loader的工作主要是初始化硬件并加載目標(biāo)程序，例如，Cortex-A系列MPU通過前級loader初始化外部SDRAM并加載uboot，進(jìn)而由uboot加載Linux。這里的loader和uboot都可以看作程序加載器，兩者的共同點也很明顯，即加載目標(biāo)程序后，目標(biāo)程序即開始運行，控制權(quán)交給目標(biāo)程序。除非系統(tǒng)復(fù)位，否則，控制權(quán)永遠(yuǎn)不會返回到loader。

相比而言，程序管理器除了加載目標(biāo)文件并引導(dǎo)其運行外，還必須具有控制權(quán)接管和多次加載目標(biāo)文件的能力。這一點，有點操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度管理的意味。

4 設(shè)計實現(xiàn)

基于ARM Cortex-M系列的處理器，解決應(yīng)用程序加載問題的一種常見方法是在編譯時將固定地址分配給應(yīng)用程序。例如，應(yīng)用程序A加載于地址0x2 1000處，應(yīng)用程序B加載于地址0x2 2000處。這類處理方法有兩個明顯的不足：應(yīng)用程序的擴(kuò)展規(guī)模受限；系統(tǒng)運行時不能動態(tài)地添加、更新和刪除應(yīng)用程序。預(yù)先分配地址技術(shù)無法實現(xiàn)應(yīng)用程序的動態(tài)管理。

4.1 設(shè)計思想

針對不具有MMU單元的MCU，動態(tài)管理應(yīng)用程序可以使用以下幾種方法：在程序管理器中實現(xiàn)ELF分析器；使用可重定位代碼編譯，使用程序管理器轉(zhuǎn)化二進(jìn)制程序的內(nèi)存位置；使用位置無關(guān)代碼(PIC)進(jìn)行編譯，并在載入應(yīng)用程序時調(diào)整程序管理器的全局偏移寄存器。

使用ELF語法分析器的缺點是：程序管理器需要比其它方法進(jìn)行更多的處理，意味著程序管理器將占用大量的程序存儲空間。

使用可重定位代碼和內(nèi)存位置轉(zhuǎn)化技術(shù)比構(gòu)建ELF解析器簡單，并且性能比位置無關(guān)的代碼略好。

位置無關(guān)代碼是一個很好的解決方案，但由于使用全局偏移的間接層而略微降低了性能。由于ARM指令集針對PIC操作進(jìn)行了優(yōu)化，大多數(shù)代碼的運行開銷可低至幾乎沒有額外運行成本。

本文所實現(xiàn)的動態(tài)程序管理方法基于位置無關(guān)代碼(PIC)技術(shù)，PIC技術(shù)允許將代碼放在任何地址。在PIC代碼中，所有分支和跳轉(zhuǎn)目標(biāo)都基于PC相對偏移；所有對數(shù)據(jù)部分的引用都通過全局偏移寄存器(GOR)進(jìn)行間接尋址。

本文所設(shè)計的程序管理器(loader)使用PIC技術(shù)來加載多個應(yīng)用程序。程序管理器根據(jù)SRAM的真實地址在加載應(yīng)用程序時更新全局偏移寄存器GOR中的基地址。GOR本身是一個寄存器，其值在切換至應(yīng)用程序代碼之前由程序管理器設(shè)置。

4.2 設(shè)計步驟

應(yīng)用程序動態(tài)管理，需要結(jié)合處理器的架構(gòu)特點并充分利用編譯器的多種機(jī)制才能實現(xiàn)。針對本文的硬件平臺及開發(fā)環(huán)境，對系統(tǒng)資源做如下劃分：loader程序的存儲位置及運行位置均位于MCU片內(nèi)Flash；應(yīng)用程序存儲于外部存儲器，運行于外部SRAM；全局棧區(qū)及l(fā)oader程序所使用的內(nèi)存變量位于MCU片內(nèi)RAM；應(yīng)用程序使用的內(nèi)存變量位于外部SRAM。

4.2.1 應(yīng)用程序設(shè)計

結(jié)合Cortex-M系列MCU的架構(gòu)特點，配合IAR的相關(guān)機(jī)制，在應(yīng)用程序設(shè)計中完成以下工作：

(1)源代碼修改

① 用匯編語言編寫一個名為ropi_rwpi_header.s的模塊，并將其加入應(yīng)用程序工程文件。該模塊主要內(nèi)容如代碼段1所示，用于記錄應(yīng)用程序的關(guān)鍵信息，如ROM起始地址,RO、RW容量,程序入口偏移等。這些信息由匯編文件指導(dǎo)IAR編譯器自動產(chǎn)生。

【代碼段1】

…

DATA

ropi_rwpi_header:

DC32ROM_address ; 編譯時ROM 地址，定義于鏈接腳本icf文件中

DC32ROPI$$Length; 包含本頭模塊的RO字節(jié)數(shù)

DC32RWPI$$Length; 程序RW字節(jié)數(shù)

DC32main - . - 4; 代碼起始至main函數(shù)的偏移

END

② 修改應(yīng)用程序的啟動文件。在啟動文件頭部引入main符號，并將NVIC向量表的第二項，即系統(tǒng)上電入口地址修改為main，如代碼段2所示。

【代碼段2】

…

SECTION.intvec:CODE:ROOT(2)

EXTERNmain

PUBLIC __vector_table

DATA

__intial_spEQU0x20000400

__vector_table

DCD __intial_sp

DCDmain

…

③ 在應(yīng)用程序main函數(shù)中新增三個函數(shù)調(diào)用語句。即SystemInit、__iar_data_init3和nvic_update。其中，SystemInit是CMSIS內(nèi)建函數(shù)，用于設(shè)置處理器時鐘系統(tǒng)；__iar_data_init3是IAR內(nèi)建函數(shù)，用于運行時數(shù)據(jù)初始化；nvic_update需要自行編寫，用于更新向量表入口并設(shè)置處理器向量表偏移寄存器VTOR。nvic_update依據(jù)loader在加載應(yīng)用程序時傳入的程序基地址，將NVIC向量表中的地址增加相應(yīng)的偏移。需要注意的是，NVIC中的第一個32位數(shù)據(jù)是編譯時的棧頂，該數(shù)據(jù)無需任何操作，忽略即可。

(2)編譯器設(shè)置及鏈接腳本修改

① 在IAR工程設(shè)置C/C++ Compiler選項的Code頁面中，依照圖2完成設(shè)置，指示編譯器產(chǎn)生PIC代碼。

圖2 指示IAR編譯器生成PIC代碼

② 在Linker選項的Library頁面中，依照圖3所示將入口符號設(shè)置為ropi_rwpi_header。

圖3 修改程序入口符號

③ 在Linker選項的Config頁面中，依照圖4示例將.intvec start及ROM地址設(shè)置為0x00。其它參數(shù)對PIC代碼沒有意義，忽略即可。本步驟也可在icf文件中將__ICFEDIT_region_ROM_start__和__ICFEDIT_intvec_start__定義為0x00實現(xiàn)，效果相同。

圖4 修改起始地址

④ 參照代碼段3的示例內(nèi)容修改IAR應(yīng)用工程的icf鏈接腳本，強制編譯器在目標(biāo)文件頭部加入ropi_rwpi_header模塊。

【代碼段3】

…

define exported symbol ROM_address = __ICFEDIT_region_ROM_start__;

…

define block RO with alignment = 4, fixed order{

ro object ropi_rwpi_header.o,

ro section .intvec,

ro, ro data

};

"ROM":

place in ROM_region{

block RO };

define movable block RW with alignment = 8, fixed order, static base{

rw,

block HEAP

};

"RAM":

place in RAM_region { block RW };

原有應(yīng)用程序工程完成上述步驟后，編譯即得到可動態(tài)管理的應(yīng)用程序。從上述步驟可以看出，本方法不需要對已有代碼進(jìn)行任何重寫，只需簡單的處理即可。

4.2.2 Loader程序設(shè)計

基于前述資源劃分，結(jié)合Cortex-M系列MCU的架構(gòu)特點，配合IAR的相關(guān)機(jī)制，需要在loader程序設(shè)計中完成以下工作：

(1)源代碼修改

① 在loader程序的啟動文件中增加外部SRAM初始化函數(shù)，完成外部SRAM初始化；

② 加載應(yīng)用程序時，從SPI-Flash或SD卡讀入目標(biāo)應(yīng)用程序。例如從SD卡讀入目標(biāo)文件可使用fopen類函數(shù)和“rb”參數(shù)完成；

③ 解析目標(biāo)文件的頭部信息區(qū)，得到目標(biāo)文件的入口偏移、目標(biāo)程序大小及全局變量容量等信息；

④ 依據(jù)頭部信息區(qū)代碼容量分配程序基址。此步驟有兩種方法：動態(tài)管理和靜態(tài)管理。動態(tài)管理是依據(jù)目標(biāo)程序容量申請堆空間，并將外部存儲器中的應(yīng)用程序讀入堆起始地址；靜態(tài)管理是人為將外部SRAM劃分成程序區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)。靜態(tài)管理的好處是，避免了多次加載不同應(yīng)用程序時造成的內(nèi)存碎片；

⑤ 依據(jù)頭部信息區(qū)數(shù)據(jù)容量分配數(shù)據(jù)基址。此步驟有兩種方法：動態(tài)管理和靜態(tài)管理。動態(tài)管理是依據(jù)目標(biāo)程序全局變量容量申請堆空間，并將配分的起始地址寫入GOR；靜態(tài)管理則是將人為劃分的數(shù)據(jù)區(qū)起始地址寫入GOR。靜態(tài)管理的好處是避免了多次加載不同應(yīng)用程序時造成的內(nèi)存碎片；

⑥ 將步驟④ 得到的起始地址加上頭信息區(qū)的偏移值后賦值給函數(shù)指針；

⑦ 通過固定內(nèi)存區(qū)域或以函數(shù)參數(shù)的方式將起始地址傳入對應(yīng)函數(shù)，以便應(yīng)用程序修改NVIC向量偏移及設(shè)置VTOR；

⑧ 調(diào)用函數(shù)指針。

至此，應(yīng)用程序開始運行。如果應(yīng)用程序設(shè)計是可返回的或可通過命令終止的，則當(dāng)應(yīng)用程序結(jié)束后系統(tǒng)控制權(quán)將自動返還至loader，以便系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)程序管理。

上述步驟的代碼舉例請參閱代碼段4，內(nèi)容僅供參考。

【代碼段4】

…

typedef int function(void);

typedef function * function_p;

…

struct ropi_rwpi_header_layout{

uint ROM_address;

size_t code_bytes;

size_t data_bytes;

size_t start_offset;

};

…

//數(shù)據(jù)基址寄存器

static __no_init char* rwpi_data @ R9

…

//程序執(zhí)行函數(shù)

void execute(char * program_image){

int status = 0;

struct ropi_rwpi_header_layout ropi_rwpi_header;

…

//從SD卡讀取應(yīng)用程序文件

FILE* f = fopen(program_image, "rb");

fread((char*) &ropi_rwpi_header, 1, sizeof(ropi_rwpi_header), f);

//為PIC代碼動態(tài)申請空間并拷貝代碼

unsigned char* ropi_code = malloc(ropi_rwpi_header.code_bytes - sizeof(ropi_rwpi_header));

fread(ropi_code, 1, ropi_rwpi_header.code_bytes- sizeof(ropi_rwpi_header), f);

fclose(f);

//動態(tài)申請RAM并寫入基址寄存器

rwpi_data = malloc(ropi_rwpi_header.data_bytes);

function_p application = (function_p)(ropi_code + ropi_rwpi_header.start_offset);

status = application(ropi_code); // 應(yīng)用程序執(zhí)行完畢或被用戶終止返回

…

free(rwpi_data);

free(ropi_code);

…

}

(2)編譯器設(shè)置及鏈接腳本修改

修改loader程序的鏈接器腳本文件，將堆區(qū)置于外部SRAM。

依據(jù)上述方法，可將一個普通loader程序轉(zhuǎn)換為動態(tài)程序管理器loader。將編譯后的loader下載至MCU片內(nèi)程序存儲器，將編譯得到的應(yīng)用程序?qū)懭隨PI-Flash或SD卡。啟動系統(tǒng)，即可按需動態(tài)加載、刪除或更新應(yīng)用程序。

結(jié) 語

參考文獻(xiàn)

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