ARM学习（31）编译器对overlay方式的支持

时间：2024-10-13 20:34:11

ARM学习（31）编译器对overlay方式的支持

1、overlay介绍

overlay：重叠得意思，就是可以重复利用得空间，一般在内存上使用这种空间。比如以Windows操作系统为例，其存储空间（ROM/FLASH）一般相对较大，但是内存相对较少，内存要加载Flash上面得较多数据，就得空间上面重复使用。

比如一个游戏里面油很多动态链接库dll，内存有限，只能加载一部分dll库，当用到一些库时，就会将一些库覆盖掉，然后调用这些库，当然这里有很多替换得算法，比如LRU，least recently used，最近最少使用得会被替换，由于被替换得库不确定，所以加载得地址不确定，这就要求dll可以动态加载，根据加载得地址进行偏移寻址，这就是PIC，位置无关，dll里面得代码均使用相对寻址，所以加载到任何地址均可以使用（理论上）。

嵌入式系统为了运行效率高，往往会在ram上面执行代码（相对Flash），所以ram既要放代码，也要存放数据，相对比较紧张，就会将内存空间重复使用。

嵌入式系统当中往往使用绝对地址寻址，不采用相对地址，笔者这里以不带Linux操作系统得应用场景为例。所以如果需要这种重复利用内存空间，就需要确定一块重复利用得地址，然后加载到这块得代码都需要采用这块得地址来进行编译，即在链接脚本里面指定绝对地址。
在这里插入图片描述
以上图为例，有4个功能代码1-4，都需要运行到动态内存地址，则笔者需要将这4个地址都编译到同一个动态内存的地址，然后需要哪个函数的时候就将哪个函数搬到对应的地址，然后再跳转过去执行。

2、编译器armcc/armclang对overlay的支持

armcc/armclang编译器支持overlay，主要是链接脚本这块的支持，通常情况下，

  • 如果两个.o文件放到同一块地址，
  • 或者两个函数放到同一块地址，都会报错误
    如下：两个overlay区域有重叠，因为链接器的作业就是分配运行地址，当然不能重叠，否则该怎么放置代码和执行code呢？
LR_OVERLAY0 0x30000000  0x1000
{
  ER_OVERLAY0 0x2001E000    0x1000 
  {
    overlay0.o(BANK_SEC, +FIRST)
    overlay0.o(+RO)
    overlay0.o(.text)
  }
}

LR_OVERLAY1 0x30001000  0x1000
{
  ER_OVERLAY1 0x2001E000   0x1000 
  {
    overlay1.o(BANK_SEC, +FIRST)
    overlay1.o(+RO)
    overlay1.o(.text)
  }
}

LR_OVERLAY2 0x30002000  0x1000
{
  ER_OVERLAY2 0x2001E000   0x1000 
  {
    overlay2.o(BANK_SEC, +FIRST)
    overlay2.o(+RO)
    overlay2.o(.text)
  }
}
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"", line 32 (column 17): Warning: L6329W: Pattern overlay0.o(RO) only matches removed unused sections.
"", line 33 (column 16): Warning: L6314W: No section matches pattern overlay0.o(.text).
"", line 42 (column 17): Warning: L6329W: Pattern overlay1.o(RO) only matches removed unused sections.
"", line 43 (column 16): Warning: L6314W: No section matches pattern overlay1.o(.text).
"", line 52 (column 17): Warning: L6329W: Pattern overlay2.o(RO) only matches removed unused sections.
"", line 53 (column 16): Warning: L6314W: No section matches pattern overlay2.o(.text).
Error: L6221E: Execution region ER_OVERLAY0 with Execution range [0x2001e000,0x2001e080) overlaps with Execution region ER_OVERLAY1 with Execution range [0x2001e000,0x2001e074).
Error: L6221E: Execution region ER_OVERLAY0 with Execution range [0x2001e000,0x2001e080) overlaps with Execution region ER_OVERLAY2 with Execution range [0x2001e000,0x2001e074).
Error: L6221E: Execution region ER_OVERLAY1 with Execution range [0x2001e000,0x2001e074) overlaps with Execution region ER_OVERLAY2 with Execution range [0x2001e000,0x2001e074).
Finished: 0 information, 6 warning and 3 error messages.
make: *** [out/AdvancedClock.axf] Error 1
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为了让链接器识别这种情况，把相同的地址放置多个函数，就必须加一个关键字，笔者找到手册上面的关键字overlay。

如下面例子所述，只要在多个想要执行地址的域空间描述上面加上overlay的关键字，该错误就不会报，
在这里插入图片描述
笔者做了尝试果然是这样，

LR_OVERLAY0 0x30000000  0x1000
{
  ER_OVERLAY0 0x2001E000 OVERLAY   0x1000 
  { 
    (OVERLAY_SEC, +FIRST)
    (+RO)
    (.text)
  }
}

LR_OVERLAY1 0x30001000  0x1000
{
  ER_OVERLAY1 0x2001E000 OVERLAY  0x1000 
  {
    (OVERLAY_SEC, +FIRST)
    (+RO)
    (.text)
  }
}

LR_OVERLAY2 0x30002000  0x1000
{
  ER_OVERLAY2 0x2001E000 OVERLAY  0x1000 
  {
    (OVERLAY_SEC, +FIRST)
    (+RO)
    (.text)
  }
}
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在这里插入图片描述
需要注意两点：
1、如果是独立设置加载域，则需要将入口函数声明为root属性，不然跳转的地址异常，可能跑飞等
2、保证函数声明为used，不然链接器会将overlay里面的函数stripped掉（删除掉），因为没有用到。
3、注意声明的OVERLAY 属性要放在执行域 长度属性的前面，不然会报错
4、因为笔者用的cm4架构，跳转的时候需要注意使用奇地址，不然可能会跑飞。

LR_OVERLAY0 0x30000000  0x1000
{
  ER_OVERLAY0 0x2001E000 OVERLAY   0x1000 
  { 
    (+RO)
    (.text)
  }
}

LR_OVERLAY1 0x30001000  0x1000
{
  ER_OVERLAY1 0x2001E000 OVERLAY  0x1000 
  {
    (+RO)
    (.text)
  }
}

LR_OVERLAY2 0x30002000  0x1000
{
  ER_OVERLAY2 0x2001E000 OVERLAY  0x1000 
  {
    (+RO)
    (.text)
  }
}
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overlay1函数实例，没有root属性，只有used属性。
__attribute__((used))  static  void overlay_handler(u8 overlay_id, u8 func_id)
{
    switch(func_id)
    {
        case 1:
        {
            rt_kprintf("this is overlay func,overlay id=%d func id=%d\r\n", overlay_id, func_id);
        }break;
        default:
        rt_kprintf("this is overlay func,func id=%d,err\r\n", func_id);
        break;
    }
}
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笔者尝试了如果不加root属性，则overlay1和overlay则会入口函数是编译器生成的code，会异常。
在这里插入图片描述
编译器生成的code如下：不是压栈所操作，入口地址变成了2001E00C，所以可能导致跑飞
在这里插入图片描述
对于生成的veneer code，笔者经过查询资料发现：“veneer code” 指的是一种特殊的代码，用于实现函数调用和分支跳转。
以下场景比较常见：

  1. 跳转表：当目标函数或代码片段地址较大时，veneer代码可以用来实现从一个地方跳转到另一个地方。这是因为ARM处理器有不同的地址模式，例如32位和64位。在一些模式下，直接的分支指令可能无法覆盖整个地址空间，veneer代码帮助在不同地址间进行跳转。
  2. 异常处理：在异常处理和中断服务例程中，veneer代码用于简化和优化跳转逻辑，从而快速且高效地进行跳转和恢复，从而保证系统的稳定性和响应速度。
  3. ABI（应用二进制接口）：veneer代码可以帮助在不同的ABI之间进行兼容，使得不同编译器生成的代码可以相互调用。

这些代码通常是由编译器或链接器生成的，用于优化和管理ARM架构下的代码跳转和调用。

正常的code应该如下所示：
在这里插入图片描述

如果不加used以及根区属性，则符号都没有被链接进来，因为overlay的函数本身需要运行态来决定运行哪个函数的，所以静态编译的时候编译器并不知道链接哪个，不过不指定used属性，则就会全部strpped掉。

 static  void overlay_handler(u8 overlay_id, u8 func_id)
{
    switch(func_id)
    {
        case 2:
        {
            rt_kprintf("this is overlay func,overlay id=%d func id=%d\r\n", overlay_id, func_id);
        }break;
        default:
        rt_kprintf("this is overlay func,func id=%d,err\r\n", func_id);
        break;
    }
}
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在这里插入图片描述
如果overlay属性位置放错，就会报如下错误。

"", line 29 (column 36): Error: L6228E: Expected '{', found 'O...'.
"", line 29 (column 36): Error: L6228E: Expected '}', found 'EOF'.
Not enough information to list the image map.
Finished: 1 information, 0 warning and 2 error messages.
make: *** [out/AdvancedClock.axf] Error 1
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关于链接脚本的其他关于overlay的写法如下图所示：

  • region1 不是overlay属性，则region2的地址是region1地址的末地址
  • region1 是overlay属性，且offset是0，则region2和region1的地址一样
  • region1 是overlay属性，且offset不是0，则region2是region1末地址+offset
    在这里插入图片描述
    跳转的时候使用奇地址，不然会报错，因为cm4使用thumb指令，
overlay_handler_fun overlay_handler_func = (overlay_handler_fun)(overlay_EXEC_ADDR+1);
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在这里插入图片描述

笔者写了一个参考例子如下：
overlay manager:
set_overlay_id，会请求切换当前的bank，
overlay_process，会处理当前的请求，并执行函数。

#include ""


#define overlay_EXEC_ADDR 0x2001E000


#define overlay0_SAVE_ADDR  0x08020000
#define overlay1_SAVE_ADDR  0x08020400
#define overlay2_SAVE_ADDR  0x08020800
#define overlay_FLASH_BASE  overlay0_SAVE_ADDR


typedef void (*overlay_handler_fun)(u8 overlay_id,u8 func_id);

u8 current_overlay_id_g = 0;
u8 set_overlay_id_g = 0;
void overlay_init()
{
    u32 current_overlay_flash_addr = overlay_FLASH_BASE + current_overlay_id_g*0x400;
    STMFLASH_Read(current_overlay_flash_addr, (u32*)overlay_EXEC_ADDR, 0x400);
    overlay_handler_fun overlay_handler_func = (overlay_handler_fun)(overlay_EXEC_ADDR+1);
    (*overlay_handler_func)(current_overlay_id_g, current_overlay_id_g);
}

void set_overlay_id(u8 req_overlay_id)
{
    set_overlay_id_g = req_overlay_id;
}

void overlay_process()
{
    if(set_overlay_id_g != current_overlay_id_g)
    {
        current_overlay_id_g = set_overlay_id_g;
        u32 current_overlay_flash_addr = overlay_FLASH_BASE + current_overlay_id_g*0x400;
        STMFLASH_Read(current_overlay_flash_addr, (u32*)overlay_EXEC_ADDR, 0x400);
        overlay_handler_fun overlay_handler_func = (overlay_handler_fun)(overlay_EXEC_ADDR+1);
        (*overlay_handler_func)(current_overlay_id_g, current_overlay_id_g);
    }
}
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#include ""


overlay0.c
__attribute__((section("overlay_SEC"),used))  static void overlay_handler(u8 overlay_id, u8 func_id)
{
    switch(func_id)
    {
        case 0:
        {
            rt_kprintf("this is overlay func,overlay id=%d func id=%d\r\n", overlay_id, func_id);
        }break;
        default:
         rt_kprintf("this is overlay func,func id=%d,err\r\n", func_id);
        break;
    }
}
overlay1.c
__attribute__((section("overlay_SEC"),used))  static  void overlay_handler(u8 overlay_id, u8 func_id)
{
    switch(func_id)
    {
        case 1:
        {
            rt_kprintf("this is overlay func,overlay id=%d func id=%d\r\n", overlay_id, func_id);
        }break;
        default:
        rt_kprintf("this is overlay func,func id=%d,err\r\n", func_id);
        break;
    }
}
overlay2.c
 __attribute__((section("overlay_SEC"),used)) static  void overlay_handler(u8 overlay_id, u8 func_id)
{
    switch(func_id)
    {
        case 2:
        {
            rt_kprintf("this is overlay func,overlay id=%d func id=%d\r\n", overlay_id, func_id);
        }break;
        default:
        rt_kprintf("this is overlay func,func id=%d,err\r\n", func_id);
        break;
    }
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实际效果如下：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如果有Trace32调试器，可以通过Trace32对overlay的支持来进行调试。
trace32 设置指令：

  1. ON
  2. 自动识别ID
  3. 查看当前处于哪个overlay
    由下图可以可以看到笔者的overlay 处于overlay1，根据右边的打印，然后trace32调试器也显示的overlay1.
    在这里插入图片描述
    笔者切到overlay2，则对应的调试器显示overlay2。
    在这里插入图片描述

3、参考

armcc官方手册
DUI0472M_armcc_user_guide
DUI0474M_armlink_user_guide

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