基于μCOS系統(tǒng)的嵌入式動態(tài)加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)

裴俊宇　劉子龍

摘要：針對嵌入式操作系統(tǒng)不支持外部程序動態(tài)加載技術(shù)，限制其靈活性和可擴(kuò)展性的弊端，基于STM32F103μc/OSIII平臺，運(yùn)用ELF文件重定位原理，對原系統(tǒng)功能進(jìn)行拓展，對編譯合適的ELF文件、ELF加載器實(shí)現(xiàn)等作深入分析。測試表明，系統(tǒng)支持對軟件模塊的動態(tài)加載功能，并實(shí)現(xiàn)外部任務(wù)之間的通訊。最后針對內(nèi)存開銷大的問題作出改進(jìn)，使該項技術(shù)具備更高的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：動態(tài)加載；μC/OS；單地址空間；ELF文件

DOIDOI：10.11907/rjdk.171728

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011014904

0引言

在電子技術(shù)迅速發(fā)展下，嵌入式系統(tǒng)不僅在硬件性能上快速提升，能勝任更多任務(wù)，而且在應(yīng)用上也越發(fā)廣泛，軟件復(fù)雜度越來越高，使得對嵌入式軟件開發(fā)提出了新的要求[1]。相比PC操作系統(tǒng)上早已十分成熟的動態(tài)加載技術(shù)，常見的μcos嵌入式操作系統(tǒng)缺乏對動態(tài)加載程序的支持，一是ROM技術(shù)限制，二是內(nèi)存使用緊張，無法運(yùn)行太多程序[2]。Flash技術(shù)的發(fā)展及內(nèi)存的增加，使得基于嵌入式操作系統(tǒng)的動態(tài)加載具備可行性。一些高端嵌入式設(shè)備已經(jīng)具備GB級的內(nèi)存，硬件支持虛擬地址空間，能夠運(yùn)行Linux量級的系統(tǒng)。但實(shí)時性不滿足要求，性能過剩且成本偏高。作為嵌入式市場主力的中低端設(shè)備，普遍仍是單地址空間，內(nèi)存受限，此時提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性迫在眉睫。

本文基于STM32平臺，討論在典型單地址空間、無內(nèi)核態(tài)的μcos嵌入式操作系統(tǒng)上動態(tài)加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并針對嵌入式內(nèi)存使用緊張問題作出改進(jìn)。

1基本原理與機(jī)制

傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)通常將程序編譯鏈接成一個二進(jìn)制文件，然后燒錄到芯片上運(yùn)行調(diào)試。從簡單的裸機(jī)程序到操作系統(tǒng)與應(yīng)用綁定編譯的復(fù)雜任務(wù)，都要通過反復(fù)重新編譯鏈接下載調(diào)試流程，周期長而繁瑣，不能快速迭代，對于市場快速變化需求而言顯得效率低下。此外，每次運(yùn)行程序都是將特定的任務(wù)載入內(nèi)存，不能像PC端一樣安裝、卸除程序，每一次變動都要重新燒錄整個程序，無法靈活地調(diào)整更新[3]。

通常而言，代碼經(jīng)過編譯和鏈接生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件，其中鏈接分為靜態(tài)鏈接、加載時鏈接和運(yùn)行時鏈接。靜態(tài)鏈接即將程序和它需要的庫鏈接成一個單一文件，獨(dú)立運(yùn)行、速度快，但是生成文件較大，如果要改動就需重新鏈接。加載時鏈接指程序在連接時不會把外部引用的庫代碼鏈接到執(zhí)行程序中，而是在它被加載器加載時將外部庫加載入內(nèi)存進(jìn)行鏈接。優(yōu)點(diǎn)是程序本身小、靈活。運(yùn)行時鏈接是加載時鏈接的更進(jìn)一步，只有在真正調(diào)用外部庫代碼時才將外部庫加載入內(nèi)存進(jìn)行鏈接[4]。

嵌入式動態(tài)加載實(shí)現(xiàn)主要采用加載時鏈接，即從外部存儲設(shè)備中加載程序到內(nèi)存中，在操作系統(tǒng)中動態(tài)申請一個任務(wù)棧，讓外部加載的程序在該任務(wù)棧上運(yùn)行，并服從操作系統(tǒng)資源管理，同時程序也能申請一些資源，如內(nèi)存塊、定時器等。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

單地址空間即整個系統(tǒng)使用一個連續(xù)的單地址空間。無用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之分，用戶程序的代碼可以直接訪問到操作系統(tǒng)代碼。

動態(tài)模塊設(shè)計參考了Linux中動態(tài)庫文件的實(shí)現(xiàn)原理，采用Unix標(biāo)準(zhǔn)的ELF格式文件。該文件格式通用性廣、可拓展性強(qiáng)，對arm體系編譯器有很好的支持。通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)木幾g和鏈接參數(shù)，生成可重定位位置無關(guān)代碼[56]。

實(shí)現(xiàn)過程中主要解決如下問題：①解決編譯問題，好的外部程序必須是位置無關(guān)代碼，可以加載到任意內(nèi)存地址運(yùn)行，而燒錄程序要額外生成一個符號表，以便動態(tài)鏈接；②操作系統(tǒng)通過文件系統(tǒng)讀取文件，能夠加載識別配置文件和程序；③加載模塊加載外部程序需進(jìn)行鏈接，使得操作系統(tǒng)能夠找到外部程序入口，外部程序能夠調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，操作軟硬件資源；④解決外部任務(wù)之間的通訊。

2.1編譯器與鏈接器參數(shù)

采用KeilIDE，默認(rèn)編譯器為armcc，為了方便鏈接，使用編譯器宏命令導(dǎo)出符號表，以便下一步鏈接。

此處參考armcc手冊，使用宏命令建立一個結(jié)構(gòu)數(shù)組，存儲符號和地址信息。

struct my_module_symtab

{

void *addr；

const char *name；

}；，

#define SYM_EXPORT（symbol）

const char __sym_##symbol##_name[] SECTION（".rodata.name"） = #symbol；

const struct my_module_symtab __sym_##symbol SECTION（"SymTab"）=

{

（void *）&symbol，

_sym_##symbol##_name

}

存儲符號名和符號地址。其中，SECTION（）命令是armcc專屬宏指令，編譯時將該變量放在指定Seciton。__sym_##symbol##_name創(chuàng)建一個字符串常量存儲符號名，struct my_module_symtab用來存儲該符號名和符號地址。

由于該結(jié)構(gòu)變量都存儲在SECTION（"SymTa b"）中，因此編譯預(yù)處理后將順序分布在SymTabsection中。通過armcc的宏&MySymTabMYMMYMBase訪問section的首元素，&MySymTabMYMMYMLimit訪問尾元素，像數(shù)組一樣操作符號表。SYM_EXPORT（）用來輸出變量和符號，提供重定位時的參考信息。

外部程序選用armnoneeabigcc作為交叉工具鏈。編譯器參數(shù)如表1所示。endprint

該命令將編譯出所需的ELF文件格式，其中包含重定位符號表，對應(yīng)已經(jīng)生成好的符號表，進(jìn)行重定位[7]。

2.2外部程序加載到內(nèi)存

在片外Flash上建立fatfs文件系統(tǒng)。Fatfs系統(tǒng)通過usb接口傳輸ELF文件。其中配置文件選項如表3所示。

系統(tǒng)啟動后加載文件系統(tǒng)，等基本驅(qū)動初始化完畢后，加載配置文件。配置文件名固定，程序名不固定。根據(jù)配置文件的加載程序數(shù)量，依次對任務(wù)進(jìn)行加載，創(chuàng)建新任務(wù)。需要配置好任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)周期及任務(wù)棧大小，還有可選的傳入?yún)?shù)，最后進(jìn)入OSStart（）啟動任務(wù)循環(huán)。Usb庫和文件系統(tǒng)都是移植現(xiàn)成的，配置文件為方便使用采取JSON格式，JSON解析使用cJSON庫。

2.3ELF加載器實(shí)現(xiàn)

操作系統(tǒng)加載外部ELF文件到內(nèi)存后需解析ELF文件，將其中的有用信息提取出來，主要是代碼段、數(shù)據(jù)段及重定位表。重定位表的作用是指出需要重定位項在ELF文件的偏移位置，根據(jù)重定位段和符號表進(jìn)行重定位操作，最后將程序的入口交給操作系統(tǒng)，再由操作系統(tǒng)創(chuàng)建新任務(wù)啟動運(yùn)行，此時成功加載了一個外部程序[78]。

2.3.1ELF文件頭解析

解析ELF header，加載到內(nèi)存，編譯出來的文件是Shared Object File，也即Type字段為DYN，ELF Header檢查正常進(jìn)入下一步[9]。根據(jù)ELF Header后緊跟SectionHeader和SectionHeaderStringTable，其中給出了ELF文件中所包含內(nèi)容的具體信息。使用readELF工具打印出ELFheader，其各Section如圖1所示。

圖1ELFSectionList

其中，.rel.dyn中包含了重定位信息，.symtab記錄了符號表。通過Section Header中offset定位各表，即可在下一步重定位操作[10]。

2.3.2重定位

重定位之前，需要先將代碼和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存。.text中包含代碼、.rodata只讀數(shù)據(jù)段、.data數(shù)據(jù)段，.bss是未初始化全局變量數(shù)據(jù)段，需要預(yù)留出足夠空間。.symtab和.strtab及.symtab，.rel.dyn用于重定位，工作完成后可丟棄。

根據(jù)重定位表中信息，確定重定位類型，從而確定重定位地址計算方式。重定位項結(jié)構(gòu)體[11]如下：

struct ELF32_rel {

ELF32_Addr r_offset；

ELF32_Word r_info；//SYMBOL<<8+TYPE&0xff.

}；

//r_offset是需要進(jìn)行重定位的地址；

//r_info包含了重定位項的基本信息；

//SYMBOL是重定位以后需要指向的符號；

//TYPE是重定位的類型

重定位過程就是重定位表的遍歷，依次將每個符號地址進(jìn)行重定位[12]。

重定位類型很多，但大多數(shù)很少出現(xiàn)。通過對編譯器參數(shù)的設(shè)置，使得產(chǎn)生的重定位類型簡單且容易定位。大多為R_ARM_GLOB_DAT、R_RAM_ABS32，及R_ARM_REL32型[1314]。

假設(shè)addr為加載到內(nèi)存后的符號指向地址，sym_val為上述結(jié)構(gòu)體中的r_offset，則3種類型的定位方式如表4所示。

2.3.3任務(wù)創(chuàng)建

重定位完成后，調(diào)用操作系統(tǒng)創(chuàng)建OS_TCB和CPU_STK并將資源分配給新任務(wù)，同時外部程序?qū)⑷肟诮唤o操作系統(tǒng)以便創(chuàng)建新任務(wù)。操作系統(tǒng)入口在鏈接時已經(jīng)指定好main函數(shù)，ELF header中包含EntryPointAddress即為程序入口。其中，OS_PRIO、CPU_STK_SIZE、OS_TICK、Argument由配置文件指定[15]。

OSTaskCreate（（OS_TCB*）&MyAppTCB，/* Create the start task*/

（CPU_CHAR*）"Exteral Program1"，

（OS_TASK_PTR ） EntryPointAddress，

（void*） Argument，

（OS_PRIO） MyAppPriority（8），

（CPU_STK*）&MyAppStk[0]，

（CPU_STK_SIZE）MY_APP_STK_SIZE（512） / 10，

（CPU_STK_SIZE） MY_APP_STK_SIZE，

（OS_MSG_QTY） 5u，

（OS_TICK） MyTick（1000），

（void*） 0，

（OS_OPT）（OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR），

（OS_ERR*）&err）；

2.4任務(wù)通訊

任務(wù)間通訊分為兩種情況：原生程序和外部程序間通訊、外部程序和外部程序間通訊。已知原生程序之間通訊通過全局變量實(shí)現(xiàn)，通過信號量或互斥量防止競爭。加載外部程序時，如果符號表中有同名的全局變量，會重定位到原生程序中的同名全局變量；如果沒有，則為全局變量分配獨(dú)立內(nèi)存，并將其名稱和地址加入到符號表中，由此實(shí)現(xiàn)外部程序和原生程序之間的通訊。

外部和外部程序之間，可以通過約定好的全局變量進(jìn)行通訊，但這樣不夠靈活；也可通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)通訊，使用操作系統(tǒng)提供消息機(jī)制。從任務(wù)抽象來看，原生任務(wù)和外部加載任務(wù)并無不同，一律通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)接口、消息隊列發(fā)送消息，信號量、事件標(biāo)志組實(shí)現(xiàn)同步。endprint

3內(nèi)存改進(jìn)

在小型嵌入式設(shè)備中，內(nèi)存是一種緊缺資源，因此多數(shù)程序內(nèi)存在使用上都是精打細(xì)算，早在編程階段就已規(guī)劃好。但對于動態(tài)加載的外部程序，內(nèi)存浪費(fèi)十分嚴(yán)重。一個程序運(yùn)行只需要代碼段和數(shù)據(jù)段即可，但實(shí)際過程中把整個ELF文件都加載進(jìn)了內(nèi)存，ELF文件頭、重定位表等在加載后即失去作用，屬于冗余信息。

嵌入式燒錄好的代碼在ROM上運(yùn)行，但外部程序代碼卻在RAM上運(yùn)行，實(shí)際上是對RAM的浪費(fèi)?，F(xiàn)代硬件的發(fā)展已經(jīng)支持直接對片上Flash的編程，片上Flash可以直接運(yùn)行代碼。為了節(jié)省內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率，本文對片上Flash地址空間進(jìn)行管理，在重定位時直接將代碼段重定位到片上Flash的地址，數(shù)據(jù)保留在RAM中，使得二者像原生代碼一樣分離，達(dá)到了節(jié)省內(nèi)存的目的。甚至對數(shù)據(jù)段也可以規(guī)劃管理，對于相對固定的參數(shù)類數(shù)據(jù)燒入Flash，而變量保留在內(nèi)存里，達(dá)到對內(nèi)存最大效率的利用。已知單地址空間，ROM和RAM只是地址分布不同，因此改進(jìn)地址分布。ROM中的代碼地址重定位指向RAM，地址分布如圖2所示。

圖2地址分布

4測試運(yùn)行

為測試驗(yàn)證軟件模塊是否正常運(yùn)行，基于STM32F103平臺，設(shè)計不同的外部任務(wù)進(jìn)行加載測試。嵌入式平臺上最通用的調(diào)試方式是通過LED燈指示程序運(yùn)行狀況。將信號燈任務(wù)程序編譯為外部程序進(jìn)行加載，該程序?qū)⒄{(diào)用系統(tǒng)函數(shù)和驅(qū)動接口，對LED進(jìn)行點(diǎn)亮、閃爍、延時、流水燈等操作。借助該測試樣例成功驗(yàn)證功能，包括外部程序成功加載、調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)及多個外部程序之間的通訊。

5結(jié)語

本文參考Linux動態(tài)加載庫原理，實(shí)現(xiàn)ELF文件動態(tài)加載，使得μcosIII支持外部程序的動態(tài)加載，提高操作系統(tǒng)的可拓展性和靈活性。將代碼段和數(shù)據(jù)段分離，盡可能使外部加載代碼類似于原生代碼的方式執(zhí)行，對動態(tài)加載內(nèi)存開銷大的問題作出改進(jìn)，通過配置文件提高靈活性，使該技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域具備實(shí)用價值。不足之處是支持多個任務(wù)模塊之間的通信，但依賴加載順序，對Static型不支持，在編碼過程中需注意Static變量使用，采用全局變量進(jìn)行替代。本文闡述的動態(tài)軟件模塊機(jī)制有待進(jìn)一步完善。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）endprint