嵌入式单地址空间OS中实现动态加载的过程

嵌入式单地址空间OS中实现动态加载的过程

李振鹏

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之前有一篇文章是关于嵌入式单地址空间实现动态加载的想法，里面描述的是我根据相关资料进行猜测的地方，以及从技术上来说，可能需要的技术，最近难得有空闲时间，我实现了一下动态加载的。目前已经成功实现，下面说一下实现的过程。

先说一下实现此技术需要的平台：

OS：Nucleus

CPU：ARM7+cache

Baseband：VT3406

ADS1.2

说一下这些东西的来历，Nucleus是实时嵌入式单地址空间操作系统，CPU是介于ARM7与ARM9之间的CPU，BB芯片是VIA出的，这些东西目前都已经收掉不再使用，我也正好离职，从而有时间去实现一下动态加载的问题。

从理论上来说，动态加载很简单，只需要把当前的PC指针指向下一句执行的语句即可。也就是使用如下的ASM就可以实现：

MOV PC, Address

       这样就可以顺利执行程序，在我实现的时候，考虑如下问题，程序执行如何返回，参数如何传递，程序执行完毕返回到哪里。

       这些问题的解决，看起来比较复杂，其实很简单，程序的返回是放在LR中，这样在上一个函数调用的时候，只要LR的值不变，这样可以在下一个函数调用的时候，同样使用LR，这样就可以顺利返回。关于参数传递，由于ARM中使用r0-r3传递参数，这样只要不更改r0-r3，就可以顺利传递参数。这个地方想明白，我用了好久，特别是返回地址的问题，程序如何执行，应该返回哪里。解决方法如下

       实现DynamicLoader(UINT8 *pAddress)

MOV PC, R0

这个地方一定要用ASM实现，否则无法完成需要的功能。由于在调用此函数时，已经把函数的返回地址放到LR中，具体ASM如下：

MOV r0,address

BL DynamicLoader

       由于DynamicLoaer的实现问题，没有实际的返回，也就是不需要使用

BX lr

       这样来做为函数的返回。这是由于R0所指向的一个函数的开始地址，从DynamicLoader开始，其实执行的是另一个函数，这里的DynamicLoader只是起到了一个跳转的作用。但是又必须使用函数调用的方式来进行，而不能直接跳转，否则函数没有办法返回。由于BL的时候填充了LR，这样在下一个由于实际调用不是使用的B指令，因为并没有设置LR，这样仍旧是在调用DynamicLoader时的LR，因此可以正确返回。

       函数可以正确调用并返回，这是程序很大的一个进步，这样就可以实际构造可以运行的程序了。

       下面说一下ADS编译为二进制可执行文件的问题，使用编译器如果一开始把所有的数据都放好，这样包括全局变量和静态变量，以及函数的执行地址等，都已在LINK的时候根据指定规则确定实际的运行地址，也就是说所有的函数的实际运行地址在LINK的时候已经确定。这样对于动态运行来说是不可行的，因为既然要动态加载，就需要所有地址都是静态的，因为每次对于读入内存的数据，起始地址是不缺定的，因此不能再LINK时把所有的地址固定死。

       解决这个问题有两种方式，一种是在scatter loader中把程序的可执行地址固定好，在LINK时不LINK实际的数据，而在系统启动的时候，把这部分可执行文件拷贝的固定的地址，这样可以作为一个整体运行。但是这种方式由问题，就是应用的大小什么的都是固定死的，不能太灵活，不能根据应用实际调整。

       这里使用另外一种方式，选择程序不在LINK的时候把所有的地址固定死，而是使用相对独立的函数调用方式。如下：

       原来的方式可能使这这样

       BL 0x10008;

       而使用相对的地址程序如下：

       ADD r5,pc,#18

       BL r5

       这样虽然多了一句，但是可以做到函数的运行地址是动态指定的，而不是编译为固定的地址。

       其实ADS提供了把函数编译为独立地址的方式，

       COMPILER使用如下的参数/ropi/rwpi

       LINK使用如下的参数-rwpi –ropi

       就可以把编译的程序做到运行时地址是独立的。

       从上面来开，编译时地址的问题，还有运行时加载的问题，都已经顺利解决。但是这里还有一个问题，就是如何确保动态应用如何每次在使用的时候，都从固定的入口进入的问题。也就是说，虽然有了内存中的运行地址，但是如何保证每次都从固定的函数开始执行呢？如果每次都从编译的可执行文件0地址开始执行，没有办法保证每次调用的是同一个函数。

       这个可以通过LINK来保证每次是同一个函数在0地址，使用如下的参数

-first DyanmicAppEntry

       这样就可以保证DyanmicAppEntry的入口地址为可执行文件的开始了。

       上面的文章解决了动态编译和加载的问题，下面说一下动态应用的问题。如果要使一个应用有价值，比然需要提供本地的功能调用，而且对于手机来说，系统已经基本上实现了大多数的功能，如果在动态应用中再重复实现一些功能，可以说既浪费了空间，又浪费了时间。而且对于硬件相关的功能，必须通过本地调用来进行，这样就需要如何把本地调用传入动态应用中。如上文所说，本地的调用地址都是在LINK的时候确定的没有办法直接在动态应用中使用，这样需要在运行时把本地调用传入动态应用，由于动态应用的入口还有好几个参数可以使用，这样就可以构造一张系统调用的表，在运行的时候传入动态应用，这样可以通过表来调用系统功能，这样就解决了系统本地调用的问题。

       这里要特别说一下安全的问题，由于动态应用是直接更改PC指针运行的，这样，如果应用出错，系统可能就CRASH了，无法再继续运行，而且由于可以调用本地系统调用，可能做许多意想不到的功能，这样就可以在系统调用的时候

增加一个中间层，一些核心功能，必须满足一定的权限在可以调用。