軟體 Overlay:程式編寫與除錯

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賴歆雅,技術經理,晶心科技股份有限公司

  近幾年來,SOC 為了支援更大的硬體資源,及更精確的演算法,很多應用中的韌體程式碼越來越大,但是售價卻要越來越便宜。各家廠商無不絞盡腦汁尋找降低成本的方法。
  SRAM 在 SOC 上,是一個快速但單位面積較大的元件,而單位面積較大代表成本較昂貴。有一個降低成本的方法,是將程式碼放在較慢但單位面積較小的 flash 或 ROM 上,當系統需要執行裡面的某些程式碼時,才載入到記憶體裡執行。
  如果用商店來比喻的話,有一個小店租在都市裡的黃金店面裡,小店的展示櫃很小,當客人想要看架上沒有的商品時,店員才從後面較大的倉庫裡,把商品拿出來放到展示櫃上。這裡的展示櫃就像 SRAM,昂貴但是有效率,倉庫就像 flash,便宜容積大但是存取較麻煩。
  本文介紹的是軟體 overlay 的技術。除此之外,晶心科技也發展了硬體overlay 的技術,使得 overlay 執行更快,實作更為簡單。期望本文章能對使用者有所助益,也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見。

1. 軟體 Overlay 技術介紹及實作
  我們拿一個情境實例做為說明,比方說程式碼的大小為 210KB,RAM 只有 64KB,我們把 RAM 規劃成一格一格的大小,比方說每 4KB 切成一塊。每 4KB 的大小可以在不同時間,更換成不同的程式碼,可以重覆利用 RAM 的空間。程式碼儲存在 ROM 或 flash 裡,只有在執行之前會將函式從 ROM 或 flash 裡動態載入 SRAM 裡。當這個函式執行完成,下一個函式要執行前,再載入下一個函式。
  值得注意的是,每一格 SRAM 裡可載入的程式碼是互斥的,比方說有些不會同時使用的功能可以放在同一格裡,比方說 mp3 播放器,錄音和播放不會同時使用,就可以規劃重覆利用同一格 SRAM。

1.1 系統架構
  請參考圖表 1,右邊長方形是 flash 的內容。0x0 起 1MB 的空間,flash 裡存放了程式碼和.data,及各個即將要被 overlay 的 sections。
  圖表1的左邊長方形是SRAM規劃,位址從0x10000000開始,我們切出三格提供overlay的SRAM,分別是0x10800000, 0x10804000及0x10808000。Overlay 要規劃成幾格,或者每一格要切成多大塊,都是由使用者規劃。這裡的SRAM與flash的地址是以通用型Andes FPGA開發板作例子。讀者設計SOC時,可以根據實際需求訂定合理的位址。
  程式執行時,0x10800000可以載入.ovly0或是.ovly1。0x10804000可以載入.ovly3或是.ovly2。0x10808000可以載入.ovly4或是.ovly5。

圖表1. 系統架構圖

1.2 overlay 的 sag 檔編寫
  圖表 2 是範例 sag 檔。Sag 檔是 Andes linker script generator 所需要的輸入檔,執行linker script generator 後,輸出會產生GNU linker 需要的linker script。詳細語法說明可以參考 Andes BSP v3.2.0 User manual 第 12 章。
  我們簡單介紹圖表 2 的語法。第 1 行關鍵字 USER_SECTIONS 表示後面接的這幾個 sections 都是由使用者自訂的 sections。在後面的章節,筆者會介紹如何把函式指定為這些自訂 sections。

  圖表2中,第4行表示從0x0開始的區域是唯讀區,包含程式碼(.text section) 及唯讀資料段(.rodata section)。第9行,OVLY0從0x10800000開始,裡面有2 個sections可overlay,一個是.overlay0,另一個是.overlay1。以此類推,在OVLY1 和OVLY2都各有2個sections可以overlay。第24行的RAM1裡放的是.data及.bss sections,執行時期會從0x10000000開始。

1.3 sag 檔轉成 linker script
  如圖表3,在cygwin下執行nds_ldsag軟體,將sw-ovly.sag轉成sw-nds32.ld檔。參數-o sw-nds32.ld為指定輸出檔的檔名。nds_ldsag軟體可以在AndeSight
2.0.1 MCU或是BSP v3.2.0裡取得。

1.4 程式裡指定函式或變數放在自訂的 sections
  GNU ld (linker)可連結目的檔為可執行檔,排列上的最小單位是section,基
本的sections為.text,.data及.bss這3個sections。為了達成分區overlay的功能, 必須指定函式或是變數在自訂的sections上。在前一節裡我們介紹了我們切出3 個區域可以做overlay,分別是OVLY0(從0x10800000起),OVLY1(從0x10804000起)及OVLY2(從0x10808000起)三個區域。指定函式overlay0放在自訂section .overlay0裡,要使用 attribute ((section(".overlay0")))語法, 完整寫法請參考圖表4a。圖表4b.是另外一種寫法。  

指定全域變數gdata1放在自訂section .overlay4裡,要使用  attribute ((section(".overlay4")))語法,完整寫法請參考圖表5。  

1.5 各 sections 的 LMA 與 VMA
  圖表6,是各個section的LMA和VMA。在這個表上,可以看.andes32_init
到.sdata_w的LMA從0x0~0x29dc,這些section的LMA是連續的。.overlay0 與.overlay1做overlay,所以有共同的VMA 0x10800000。同樣的,.overlay2 .overlay3,具有共同的VMA 0x10804000。.Overlay4和.overlay5,也有同樣的VMA 0x18008000。  

1.6 overlay 程式的載入
  前面已經介紹overlay section的sag檔寫法。那麼如何載入使用者想要用的overlay程式呢?
  請看圖表7,這是overlay的執行程式碼。第5行OverlayLoad(0)表示載入section .overlay0。第6行OverlayLoad(4)表示載入section .overlay4。第7行在.overlay0被載入後,執行overlay0(),可以正常工作。

  再來我們介紹一下Overlay manager的程式運作,Overlay manager即為圖表7中的函式OverlayLoad。圖表8列出Overlay manager程式碼片段,主要做了兩件事。一,修改mapped table _ovly_table,標示overlay section是mapped 或是unmapped。_ovly_table的用途是讓gdb知道目前載入的是哪一個section, 使得gdb在debug時,能自動切換為正確的除錯資訊。
  二,在程式執行時期將函式載入,函式ovly_copy是一個memcpy函式,將函式從LMA複製到VMA上。當OverlayLoad(0)執行完後,overlay0函式主體便存在於VMA上,可正確的執行。

  圖表9為_ovly_table的內容,要標示每一個overlay section的vma, size, lma, 和是否mapped。必須要注意的一點,_ovly_table要位在一個lma等於vma的區域裡。

2. 除錯 Overlay 的程式
  開啟自動overlay除錯功能的gdb命令是overlay auto。當overlay auto開啟後, 對於使用者來說,與一般程式的除錯方法相同。
  圖表8的最後一行_ovly_debug_event()的用途是讓gdb能把中斷點加在正確的地址上,這一行要寫在OverlayLoad的後面。必須要有這一行,gdb的自動overlay除錯才能正常。
  當使用者加一個中斷點在被overlay的區域,gdb會在函式被載入之後(即為執行完OverlayLoad),遇到_ovly_debug_event時,自動的把中斷點加到overlay 的地址上。

3. 參考資料
  Overlay Commands
https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Overlay-Commands.html

Automatic Overlay Debugging https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Automatic-Overlay-Debugging.html#Auto matic-Overlay-Debugging

Debugging Programs That Use Overlays http://davis.lbl.gov/Manuals/GDB/gdb_11.html

Andes BSP v3.2.0 User Manual
Chapter 12 “Linker Script Generation”

4. 結語
  善用 overlay 技術可以更有效率的使用快速但昂貴的 SRAM,在執行時,容納比 SRAM 實際大小更大的程式,設計出高效率小面積的 IC。 

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