ARM程序结构&Image文件结构

ulppknot · 发表于 2020-7-2 15:03

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说明：
1、今天学习到ARM程序，于是到网上找了不少资料，发现真正有用的并不是很多。而且经过我的实际测试，与网上部分大神说的有不少出入。

2、测试环境 WinXp  RVDS2.2的编译器和连接器

3、关于测试使用的工具

一、ARM程序的组成

此处所说的“ARM程序”是指在ARM系统中正在执行的程序，而非保存在ROM中的映像（image）文件。烧录到ROM中的image文件与实际运行时的ARM程序之间并不是完全一样的。

一个ARM程序包含3部分：RO，RW 和 ZI

RO：是程序中的指令和常量    ，ReadOnly 只读的代码段和常量
RW：是程序中的已初始化变量  ， ReadWrite  可读写的全局变量和静态变量
ZI：是程序中的未初始化的变量， ZeroInit    RW段中要被初始化为零的变量的段(也就是说该段包含在RW内)
由以上3点在C语言中的表现：

1、C 中的指令以及常量被编译后是RO类型数据。
2、C 中的未被初始化或初始化为0的变量编译后是ZI类型数据。（这点注意）
3、C 中的已被初始化成非0值的变量编译后是RW类型数据。

关于上面的这些，我将在下面，用实际的例子来说明。

二、ARM映像文件的组成

      所谓ARM映像文件其实就是可执行文件，也成为image文件，又叫ELF文件。包括bin或hex两种格式，可以直接烧到rom里执行。在AXD调试过程中，我们调试的是 .axf 文件，其实这也是一种映像文件，它只是在bin文件中加了一个文件头和一些调试信息。

      映像文件一般由域组成，域最多由三个输出段组成(RO,RW,ZI)组成，输出段又由输入段组成。所谓域，指的就是整个bin映像文件所处在的区域，它又分为加载域和运行域。我们输入的代码，一般有代码部分和数据部分，这就是所谓的输入段，经过编译后就变成了bin文件中RO段和RW段，还有所谓的ZI段，这就是输出段。

   加载域：就是Image被静态存放的区域，一般就是指烧在flash中的整个bin文件;

   运行域：通常是程序都是被搬到SDRAM中运行，该Image被搬在SDRAM里工作所处的地址空间就是运行域。

对于加载域中的输出段，一般来说RO段后面紧跟着RW段，RW段后面紧跟着ZI段。在运行域中这些输出段并不连续，但RW和ZI一定是连着的。ZI段和RW段中的数据其实可以是RW属性。

      Image文件一般只包含了RO和RW数据。之所以Image文件不包含ZI数据，是因为ZI数据都是0，没必要包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可。包含进去反而浪费存储空间。

实际上，ROM中的指令至少应该有这样的功能：
      1、将RW从ROM中搬到RAM中。因为RW是变量，变量不能存在ROM中。
      2、将ZI所在的RAM区域全部清零。因为ZI区域并不在Image中，所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量，同理：变量不能存在ROM中
在程序运行的最初阶段，RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。

三、实例测试

(1) RO段测试

下面两段程序，他们之间差了一条语句，这条语句就是声明一个字符常量。因此按照我们之前说的，他们之间应该只会在RO数据中一条语句的大小。

Pro1:

1: #include

2: void main(void)

3: {

4: ;

5: }
Pro2:

1: #include

2: const char ch = 2;  // 常量

3: void main(void)

4: {

5: ;

6: }
Pro3：

1: #include

2: const char ch = 2;

3: int main(void)

4: {

5:    return 0;

6: }
Pro1的编译结果：

   Code (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   932    32          16       0       96       0 Grand Totals
   932    32          16       0       96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         948 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   96 ( 0.09kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       948 ( 0.93kB)

================================================================================

Pro2的编译结果：

   Code  (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   932    32       20       0       96       0 Grand Totals
   932    32       20       0       96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         952 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   96 ( 0.09kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       952 ( 0.93kB)

================================================================================

Pro3的编译结果：

   Code (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   936       32          20             0          96       0 Grand Totals
   936       32          20             0          96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         956 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   96 ( 0.09kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       956 ( 0.93kB)

================================================================================

由上面的编译结果(尤其是加红部分)可知：常量被放在了 RO段中，验证第一点。增加一条语句时，Code部分大小增大。

(2) RW段测试

Pro4和Pro1 之间只相差一个“已初始化为非零的变量“，按照之前所讲的，已初始化的变量应该是算在RW中的，所以两个程序之间应该是RW大小有区别。

Pro4：

1: #include

2: char a = 5;

3: void main(void)

4: {

5: ;

6: }
Pro5：

1: #include

2: char a = 0;

3: void main(void)

4: {

5: ;

6: }
Pro4 的编译结果：

   Code    (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   932       32             16          4          96       0 Grand Totals
   932       32             16          4          96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         948 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   100 ( 0.10kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       952 ( 0.93kB)

================================================================================

Pro5 的编译结果：

   Code    (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   932       32          16             4          96       0 Grand Totals
   932       32          16             4          96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         948 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   100 ( 0.10kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       952 ( 0.93kB)

================================================================================

Pro4与 Pro1 相比，只有 RW Data段多了4字节。

在Pro5中，对于初始化为0的变量，其仍然放在了RW区。

(3) ZI 段测试

Pro5 和 Pro1 之间的差别是一个未初始化的变量“a”，从之前的了解中，应该可以推测，这两个程序之间应该只有ZI大小有差别。

Pro5：

1: #include

2: char a;

3: void main(void)

4: {

5: ;

6: }
Pro5的编译结果：

   Code    (inc. data) RO Data RW Data ZI Data    Debug

   932          32       16          4          96       0 Grand Totals
   932          32       16          4          96       0 Image Totals

================================================================================

Total RO  Size (Code + RO Data)                         948 ( 0.93kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)                   100 ( 0.10kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       952 ( 0.93kB)

================================================================================

实际情况是，未初始化的变量放在了 RW区，而不是ZI区。

四、总结
通过上面的测试发现，ZI根本就没用到。这很费解。以下是Pro5的完整编译文件

ARM Linker, RVCT2.2 [Build 349]

================================================================================

Memory Map of the image

  Image Entry point : 0x00008000

  Load Region LR_1 (Base: 0x00008000, Size: 0x000003b8, Max: 0xffffffff, ABSOLUTE)

Execution Region ER_RO (Base: 0x00008000, Size: 0x000003b4, Max: 0xffffffff, ABSOLUTE)

Base Addr Size       Type Attr    Idx E Section Name       Object

0x00008000 0x00000008 Code RO          6  * !!!main          __main.o(c_a__un.l)
0x00008008 0x00000038 Code RO          26 !!!scatter       __scatter.o(c_a__un.l)
0x00008040 0x0000002c Code RO          27 !!handler_zi       __scatter_zi.o(c_a__un.l)
0x0000806c 0x00000010 Code RO          11 .emb_text          lib_init.o(c_a__un.l)
0x0000807c 0x00000004 Code RO          1 .text             test.o
0x00008080 0x00000048 Code RO          7 .text             kernel.o(c_a__un.l)
0x000080c8 0x00000018 Code RO          8 .text             sys_exit.o(c_a__un.l)
0x000080e0 0x00000018 Code RO

liuguanJun · 发表于 2020-7-2 16:20

“ARM程序”是指在ARM系统中正在执行的程序，而非保存在ROM中的映像（image）文件

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