分散加载文件 scatter files

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本文主要是对 浅析 Keil 中的 sct 文件 一文做进一步的补充和说明。

一、加载域和执行域

镜像的各个域在加载时是被放置在系统存储器中的。 在执行镜像之前，可能必须将一些域移动到它们的执行地址，并创建 ZI 输出节。例如，初始化的 RW 数据可能必须从 ROM 中的加载地址复制到 RAM 中的执行地址。为了可以灵活的处理这种情况，ARM 定义了如下两个视图：

• Load view： 根据镜像在加载到内存中时所位于的地址（镜像执行开始前的位置），描述每个镜像域和节。
• Execution view： 根据镜像执行过程中所位于的地址，描述每个镜像域和节。

下面是两种视图的对比：

Load	Description	Execution	Description
加载地址	在包含分节或域的镜像开始执行之前，要加载到内存中的节或者域的地址。 节或者非根域的加载地址和他们执行地址可以不同	执行地址	当包含某个节或域的镜像被执行时，该节或域所在的地址
加载域	加载域描述在加载地址空间中连续内存块的布局	执行域	执行域描述在执行地址空间中的连续内存块的布局

二、Image entry points

镜像中入口点（Image entry points）就是镜像中的一个位置（地址），该位置（地址）会被加载到 PC 寄存器。 它是程序执行开始的位置。 虽然镜像中可以有多个入口点，但在链接时只能指定一个入口点。并非每个 ELF 文件都必须有入口点。 不允许在单个 ELF 文件中存在多个入口点。

对于嵌入式 Cortex-M 核的程序，程序的执行是从复位向量所在的位置（地址）开始执行。复位向量会被加载到 PC 寄存器中，且复位向量的位置（地址）并不固定。 通常，复位向量指向 Reset_Handler 函数。

有两种不同类型的入口点：

• 初始化入口点（Initial entry point）： 镜像的初始入口点是存储在 ELF 头文件中的单个值。 对于那些需要由操作系统或引导加载程序加载到 RAM 中的程序，加载程序通过将控制转移到镜像中的初始入口点来启动镜像执行。一个镜像只能有一个初始化入口点。初始入口点可以是 ENTRY 指令设置的入口点之一，但不是必需的。
• ENTRY 指令指定的入口点： ENTRY 指令可以为镜像从多个可能的入口点中选择其中一个。每个镜像只能有一个入口点。您可以在汇编程序文件中使用 ENTRY 指令在对象中创建入口点。 在嵌入式系统中，该指令的典型用途是标记进入处理器异常向量（例如 RESET，IRQ 和 FIQ）的代码。该指令使用 ENTRY 关键字标记输出代码部分，该关键字指示链接器在执行未使用的部分消除时不删除该部分。对于 C/C++ 程序，C 库中的 __main 就是入口点。

如果加载程序要使用嵌入式的镜像，则它必须在标头中指定一个初始入口点。 使用 --entry 命令行选项选择入口点。

三、映射符号

映射符号由编译器和汇编器生成，以识别文字池边界处的代码和数据之间的内联转换，以及 ARM 代码和 Thumb 代码之间的内联转换。例如 ARM/Thumb 交互操作胶合代码。其必须由 armlink 的参数 --list_mapping_symbols 和 --no_list_mapping_symbols 分别来控制显示与不显示。在默认情况下为 `–no_list_mapping_symbols，即不显示这部分符号。映射符号有如下这些：

• $a：一系列 ARM 指令的开始
• $t：一系列 Thumb 指令的开始
• $t.x：一系列 ThumbEE 指令的开始
• $d：一系列数据项的开始，如文字池

补充说明：

1. 文字池：是代码段中存放常量数据的区域。因为没有一条指令可以生成一个 4 字节的常量，因此编译器将这些常量放到文字池中，然后生成从文字池加载这些常量的代码。
2. ARM/Thumb交互（ARM/Thumb interworking）：是指对汇编语言和 C/C++ 语言的 ARM 和 Thumb 代码进行连接的方法，它进行两种状态（ARM 和 Thumb）间的切换。
3. 胶合代码（Veneer）：在进行 ARM/Thumb 交互时，有时需使用额外的代码，这些代码被称为 胶合代码（Veneer）。
4. AAPCS：定义了 ARM 和 Thumb 过程调用的标准。

此外， armlink 还会生成 $d.realdata 映射符号，以告诉 fromelf 该数据是来自非可执行节区。因此， fromelf -z 输出的代码和数据大小与 armlink --info sizes 的输出相同。

四、链接器预定义符号

当链接器创建镜像文件时，它会创建一些 ARM 预定义的与域或者节相关的符号。这些符号就代表了链接器创建创建镜像的依据。

链接器定义了一些 ARM 保留的符号，我们可以在需要时访问这些符号。 这些符号是包含 $$ 字符序列的符号以及所有其他包含 $$ 字符序列的外部名称。我们可以导入这些符号地址，并将它们作为汇编语言程序的可重定位地址使用，或者将它们作为 C 或 C++ 源代码中的 extern 符号来引用。

如果使用 --strict 编译器命令行选项，则编译器不接受包含 $ 的符号名称。要重新启用支持，请在编译器命令行中包含 --dollar 选项。

• 链接器定义的符号只有在代码引用它们时才会生成。
• 如果存在仅执行（XO）节，则链接器定义的符号受以下约束：
  • 不能对没有 XO 节的域或者空域定义 XO 连接器定义符号
  • 不能对仅包含 RO 节的域定义 XO 连接器定义符号
  • 对于仅包含 XO 节的域，不能定义 RO 连接器定义符号

1、将符号引入到程序中

1.1 引入到 C/C++

可以通过 值引用 或 地址引用 这两种方式将链接器定义的符号导入到的 C 或 C++ 源代码中来供我们使用：

• 值引用：extern unsigned int symbol_name;
• 地址引用：extern void *symbol_name;

注意，如果将符号声明为 int 类型的值引用，则必须使用寻址操作符（&）来获得正确的值，如下例所示：

// Importing a linker-defined symbol
extern unsigned int Image$$ZI$$Limit;
config.heap_base = (unsigned int) &Image$$ZI$$Limit;

// Importing symbols that define a ZI output section
extern unsigned int Image$$ZI$$Length;
extern char Image$$ZI$$Base[];
memset(Image$$ZI$$Base, 0, (unsigned int)&Image$$ZI$$Length);

1.2 引入到汇编

可以使用指令 IMPORT 将连接器定义的符号引入到 ARM 汇编文件中来供我们使用：

IMPORT |Image$$ZI$$Limit|
...
zi_limit DCD |Image$$ZI$$Limit|

LDR r1, zi_limit

2、域相关的符号

链接器为镜像文件中的每个域生成不同类型的与域相关的符号，我们可以根据需要访问这些符号。域相关的符号主要有以下两种：

• Image$$ 或者 Load$$ 开头的符号，用于各执行域
• Load$$LR$$ 开头的符号，用于各加载域

如果未使用分散加载文件，则会以默认的 region 名称来生成域相关的符号。链接器默认的域名称如下：

• ER_XO ：用于仅执行属性的执行域（如果存在）。
• ER_RO ：用于只读执行域。
• ER_RW ：用于可读写执行域。
• ER_ZI ：用于零初始化的执行域。

可以将这些名称插入 Image$$ 和 Load$$ 中以获取所需的地址，例如：Load$$ER_RO$$Base 就是只读域的基地址。

使用分散加载时，连接器将使用分散加载文