聊聊程序分散加载启动的奥秘
描述
笔者来聊聊分散加载的东西。
1、什么是分散加载
程序是静态的概念，有数据有代码，都是存在不同的区域，但是进程是动态的概念，主进程在运行的时候，会实际修改对应的数据，还有在上电加载的时候将数据段搬到对应的位置，都是属于运行态，由程序执行来保证。
分散加载会把Code与Data放在指定的区域，保证程序在进入main函数后正常运行，如果有多个Code或者Data的时候，会分别加载到对应的区域，不会直接按照起始地址连着一起加载。
比如上图，在可执行的视图里面，分散加载会找到对于的Code、Data地址，然后加载，对于一些其他段，比如bss段会进行初始化为0的操作。
如果全部按照Code和data这种顺序加载，那在执行视图里面则会出现顺序错误，比如Code3加载到bss1，导致程序执行异常。
2、分散加载的作用
2.1 ARMCC 编译器分散加载代码
本文以STM32的启动为介绍，在介绍分散加载启动之前，介绍一下STM32的启动方式，总共有三种启动方式。
根据选定的启动模式，主闪存存储器、系统存储器或SRAM可以按照以下方式访问：
从主闪存存储器启动：主闪存存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(0x0800 0000)访问它，即闪存存储器的内容可以在两个地址区域访问， 0x00000000或0x0800 0000。
从系统存储器启动：系统存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(互联型产品原有地址为0x1FFF B000，其它产品原有地址为0x1FFF F000)访问它。
从内置SRAM启动：只能在0x2000 0000开始的地址区访问SRAM。当从内置SRAM启动，在应用程序的初始化代码中，必须使用NVIC的异常表和偏移寄存器，从新映射向量表到SRAM。
本文中介绍的是：从主闪存启动，也就是内置的主闪存Flash启动。
上图为 一个简单的STM32 加载与执行视图的绘制，链接脚本指定Code 从0x0800 0000开始，RW ZI 从0x2000 0000开始放置。
LR_IROM1 0x08000000 0x00010000 { ; load region size_region
ER_IROM1 0x08000000 0x00010000 { ; load address = execution address
*.o (RESET, +First)
*(InRoot$$Sections)
.ANY (+RO)
}
RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000 { ; RW data
.ANY (+RW +ZI)
}
}
12345678910
左边加载视图即静态的Code和Data放置方式，比如download的时候 两者把axf 解析成bin文件，然后烧录到nor flash中，可以看到其实静态放置的位置 关系不是很大，主要是执行的时候 位置正确就行 ，因为Code中有绝对地址，不然PC跑飞。
执行视图即程序正常运行的时候 Code或者Data放置的位置。
烧录的位置 和 程序执行的位置不同，分散加载 负责讲其加载到对应位置，保证main 函数执行正常
图中BSS段为初始化为0 或者未初始化的全局变量，不占用ImageSIze（bin文件大小），所以加载视图中并没有其，执行视图必须有，上电的时候会将这部分初始化为0。
综述函数的作用
来看看具体的分散加载代码，是如何搬运data 和初始化bss段的。（下文中中断向量表偏移0x10000 偏移64K）
armcc 手册里面介绍：__main 和 __rt_entry 是初始化运行态的环境，以及后面运行APP程序。
通俗点来讲__main函数初始化运行态的环境，主要的功能就是做分散加载将Code位置搬运正确，才能正常运行Code。其作用如下：
将section 拷贝到对应的执行域地址执行，（把RO RW从加载域拷贝到执行域，如果有压缩的Section 会进行解压缩并进行拷贝）
还有bss 段的初始化，将其初始化为0，
之后跳到__rt_entry。
以及堆栈的初始化，
lib库的初始化
跳到对应的用户程序（main）。
main函数结束后，调用exit函数。
手册内容如下：
__user_setup_stackheap
初始化堆栈地址，以及SP指针位置
__scatterload_copy
主要是RW data的拷贝
__scatterload_zeroinit
主要是ZI data的初始化
__rt_entry如下图armcc 手册所说：
建立堆栈
初始化C库（方便固件使用C库）
调用main函数
关闭C库
离开
启动代码的简单介绍
0x08010188 F000F802 __main: bl 0x8010190 ; __scatterload_rt2 1 0x0801018C F000F83C bl 0x8010208 ; __rt_entry 1
跳到初始化堆栈区域，执行完成之后，跳到main函数。
1 0x08010190 A00A __scatterload_rt2: adr r0,0x80101BC
2 0x08010192 E8900C00 ldm r0,{r10,r11}
3 0x08010196 4482 add r10,r10,r0
4 0x08010198 4483 add r11,r11,r0
5 0x0801019A F1AA0701 sub.w r7,r10,#0x1
12345
第一句adr指令，其作用就是将地址读到寄存器中，接着，以r0为基地址，读取r0+3464地址的值，将其放到r10，r0+3464+4 的值 ，将其放到r11，然后，r10+=r0，r11+=r0，r7=r10-1
而 0x08013620 ~ 0x08013640 是一个region表，记录着加载域或者执行域的地址信息，从map文件中也可以看到一些信息，
根据链接脚本信息，RW的起始地址0x2000 0000，前三个信息：RW 起始地址，数量size，拷贝的函数后三个信息：ZI 起始地址，数量size，初始化为0的函数
备注学习：ldm 指令，与stm指令是一对，加载指定地址的数据LDM{cond} mode Rn{!}, reglist{^} 读取Rn 地址中的数据，放到寄存器，并且之后地址自增，再次读取STM{cond} mode Rn{!}, reglist{^} 以Rn 地址为基地址，将寄存器的值放到基地址内存，并且之后地址自增，再次写入
1 0x0801019E 45DA __scatterload_null: cmp r10,r11
2 0x080101A0 D101 bne 0x80101A6
3 0x080101A2 F000F831 bl 0x8010208 ; __rt_entry
4 0x080101A6 F2AF0E09 adr r14,0x80101A1
5 0x080101AA E8BA000F ldm r10!,{r0-r3}
6 0x080101AE F0130F01 tst r3,#0x1
7 0x080101B2 BF18 it ne
8 0x080101B4 1AFB subne r3,r7,r3
9 0x080101B6 F0430301 orr r3,r3,#0x1
10 0x080101BA 4718 bx r3
11 0x080101BC 00003464 dcd 0x3464
12 0x080101C0 00003484 dcd 0x3484
123456789101112
第一行：比较r10 r11 r10 是region表的首地址，先读三个，后读三个数据，之后就等于r11，直接跳到__rt_entry第二行：如果不等，跳转到第三行，第三行：如果相等，则跳到__rt_entry第四行：则将地址到r14 ，用于返回。第五行：读取RW的地址信息，size 和拷贝函数地址，r0-r3 可以看到region的信息被读出来了。
第六-第十行：将跳转地址转成奇数地址，用于bx指令跳转，080101C4 -> 080101C5，之后跳到拷贝函数。
1 0x080101C4 3A10 __scatterload_copy: subs r2,r2,#0x10
2 0x080101C6 BF24 itt cs
3 0x080101C8 C878 ldmcs r0!,{r3-r6}
4 0x080101CA C178 stmcs r1!,{r3-r6}
5 0x080101CC D8FA bhi 0x80101C4 ; __scatterload_copy
6 0x080101CE 0752 lsls r2,r2,#0x1D
7 0x080101D0 BF24 itt cs
8 0x080101D2 C830 ldmcs r0!,{r4,r5}
9 0x080101D4 C130 stmcs r1!,{r4,r5}
10 0x080101D6 BF44 itt mi
11 0x080101D8 6804 ldrmi r4,[r0]
12 0x080101DA 600C strmi r4,[r1]
13 0x080101DC 4770 bx r14
14 0x080101DE 0000 movs r0,r0
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r2 是RW data的size 信息，r0 是 RW的起始地址信息，0x08013640，从map信息也可以看到
r0：0801340r1：20000000地址第一到第五行：是一个循环语句，每次拷贝16个字节，到RAW区域，即0x2000 0000地址中。对于78个字数据 拷贝70个后，最后八个数字没办法拷贝，不满足CS第六行：左移29位，将个数清零。r2 = 0-8 = 0xFFFF FFF8第七行 第八行：拷贝最后八个数据到RAW数据第十 十一 十二行：不满MI （复数）则直接跳过 如果满足的话，则拷贝最后一个数据，最后跳转到 cmp r10 r11 ，进行bss 段的初始化。
备注：BHI则表示大于则跳转，看之前文章介绍，ARM学习（2） 寄存器的理解 ===》通用寄存器及状态寄存器IT：if then 分支指令，后面如果满足状态标志位，则执行，否则直接跳过，lsl：左移指令，MI：为负数则执行
1 0x080101E0 2300 __scatterload_zeroinit: movs r3,#0x0
2 0x080101E2 2400 movs r4,#0x0
3 0x080101E4 2500 movs r5,#0x0
4 0x080101E6 2600 movs r6,#0x0
5 0x080101E8 3A10 subs r2,r2,#0x10
6 0x080101EA BF28 it cs
7 0x080101EC C178 stmcs r1!,{r3-r6}
8 0x080101EE D8FB bhi 0x80101E8
9 0x080101F0 0752 lsls r2,r2,#0x1D
10 0x080101F2 BF28 it cs
11 0x080101F4 C130 stmcs r1!,{r4,r5}
12 0x080101F6 BF48 it mi
13 0x080101F8 600B strmi r3,[r1]
14 0x080101FA 4770 bx r14
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获取到bss段的数据后，可以看到r0-r3更新信息，数据size 为 0x0728个
第一到第八行：同样则是循环语句，每次初始化16个字的数据为0，第九行：同样左移29位，将数据清零第十行 到 第 十一行：将最后八个字节数据写入0第十二行 到第十三行：同上面一致（数据拷贝）
数据初始化完成后，同样跳转到 cmp r10 r11，则相等，跳到 __rt_entry
0x080101FC B51F __rt_lib_init: push {r0-r4,r14}
0x080101FE F003FA09 __rt_lib_init_fp_1: bl 0x8013614 ; _fp_init
0x08010202 BD1F __rt_lib_init_alloca_1: pop {r0-r4,pc}
0x08010204 B510 __rt_lib_shutdown: push {r4,r14}
0x08010206 BD10 __rt_lib_shutdown_cpp_1: pop {r4,pc}
0x08010208 F003F9BE __rt_entry: bl 0x8013588 ; __user_setup_stackheap
0x0801020C 4611 mov r1,r2
0x0801020E F7FFFFF5 __rt_entry_li: bl 0x80101FC ; __rt_lib_init
0x08010212 F000F811 __rt_entry_main: bl 0x8010238 ; main
0x08010216 F003F9F0 bl 0x80135FA ; exit
0x0801021A B403 __rt_exit: push {r0,r1}
0x0801021C F7FFFFF2 __rt_exit_ls: bl 0x8010204 ; __rt_lib_shutdown
0x08010220 BC03 __rt_exit_exit: pop {r0,r1}
0x08010222 F000FAF5 bl 0x8010810 ; _sys_exit
0x08010226 0000 movs r0,r0
12345678910111213141516171819
__rt_enry：进入到初始化堆栈的地方：初始化堆栈的位置，以及SP指针。
之后初始化 fp_init，需要用到p10 协处理器，之后再研究。__rt_entry_main：进入main函数。则分散加载完成。
0801 360C 4800 __user_libspace: ldr r0,0x8013610 ; r0,=__libspace_start 0801 360E 4770 bx r14 0801 3610 20000140 dcd 0x20000140 ; __libspace_start 123
libspace_start：lib库 空间使用 栈空间，在初始化堆栈空间的时候。
1 08013588 4675 __user_setup_stackheap: mov r5,r14
2 0801358A F000F83F bl 0x801360C ; __user_libspace
3 0801358E 46AE mov r14,r5
4 08013590 0005 movs r5,r0
5 08013592 4669 mov r1,r13
6 08013594 4653 mov r3,r10
7 08013596 F0200007 bic r0,r0,#0x7
8 0801359A 4685 mov r13,r0
9 0801359C B018 add sp,sp,#0x60
10 0801359E B520 push {r5,r14}
11 080135A0 F7FDFA3C bl 0x8010A1C ; __user_initial_stackheap
12 080135A4 E8BD4020 pop {r5,r14}
13 080135A8 F04F0600 mov.w r6,#0x0
14 080135AC F04F0700 mov.w r7,#0x0
15 080135B0 F04F0800 mov.w r8,#0x0
16 080135B4 F04F0B00 mov.w r11,#0x0
17 080135B8 F0210107 bic r1,r1,#0x7
18 080135BC 46AC mov r12,r5
19 080135BE E8AC09C0 stm r12!,{r6-r8,r11}
20 080135C2 E8AC09C0 stm r12!,{r6-r8,r11}
21 080135C6 E8AC09C0 stm r12!,{r6-r8,r11}
22 080135CA E8AC09C0 stm r12!,{r6-r8,r11}
23 080135CE 468D mov r13,r1
24 080135D0 4770 bx r14
123456789101112131415161718192021222324
第八行 到 第十二行：r13 = 20000140 加 0x60之后，正好指向 lib库的地址的栈顶。2000 01A0.第十八行：r12 = 2000 0140，后面初始化 lib 库 后 变成 r12 = 2000 0180第二十三行：r13 指向栈顶 2000 07A0
可以看到向量表的第一个地址也是 2000 07A0，符合预期。
__user_initial_stackheap LDR R0, = Heap_Mem 08010A1C 4804 __user_initial_stackheap: ldr r0,0x8010A30 LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) 08010A1E 4905 ldr r1,0x8010A34 LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) 08010A20 4A05 ldr r2,0x8010A38 LDR R3, = Stack_Mem 08010A22 4B06 ldr r3,0x8010A3C BX LR 08010A24 4770 bx r14 08010A26 0000 dcw 0x0 08010A28 08010371 dcd 0x8010371 ; SystemInit 08010A2C 08010189 dcd 0x8010189 ; __main 08010A30 200001A0 dcd 0x200001A0 ; Heap_Mem 08010A34 200007A0 dcd 0x200007A0 ; __initial_sp 08010A38 200003A0 dcd 0x200003A0 ; Stack_Mem 08010A3C 200003A0 dcd 0x200003A0 ; Stack_Mem 123456789101112131415161718
初始化堆栈的地址 开始位置，将其存储到 r0- r3中。
可以看到R0、R1和R2 分别存放的是堆的基地址、栈的基地址（栈顶）和堆的极限地址（与arm cc手册说的一致。）
来看看armcc 手册上面是怎么介绍堆栈初始化函数的：
__user_initial_stackheap 函数将栈基地址（栈顶）值放在r1中，可以从上面寄存器看到，确实寄存器r1存放的是栈顶的地址。
__user_setup_stackheap 初始化sp的地址为栈顶地址（上面的代码中第二十三行）
__user_initial_stackheap 之所以可以使用C语言来编写，是因为 __user_setup_stackheap 提供了一个 临时的栈，（手册可能比较老，和代码有点出入。）
审核编辑：汤梓红
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