单片机高阶技能之动态链接库技术实现（转）

ljt8015

最近做了个单片机的小项目，遇到了flash不够用的问题，本来解决的方法确实有很多，但思来想去，非常想借用window和linux上动态链接库的思路去解决问题。单片机上分布了几个程序


，IAP和2组可以被交替升级的app程序。由于它们都有一段很长的代码是相同的，我就想把它做成动态库的方式，这样flash中就只需要一份这样的代码了。而且，想到升级时也可以不用升


这段代码，提高升级成功率和缩短升级时间，升级文件变小，等等优点。此外，除了省空间这个直接作用，还能帮助完成一些特殊的技能，这些都让我下定了决心要搞出来。最后花了近两个


星期时间，终于是搞出来了，用到产品上也没问题。但对这套方法，我还有一些不太理解的地方，也有一些需要改进和完善的地方，以便适合更多的初学者用，想和坛子里的童鞋们多讨论下


。将在后天放出完整工程源码！




演示用的CPU是STM32F407VET6，IDE请用MDK5.25，低版本的MDK打开可能会有问题。




可能有些童鞋看到这里，仍然以为我说的是用静态库的方式。请注意，静态库是不能省flash的，注意这里说的flash，是内存直接寻址的flash空间，不是指spi 的那种flash。如果这里用


nand或nor，那种非常大，几乎不可能不够用了。


静态库只是为了屏蔽源码，保护源码。你有几个工程链接静态库，就会有几份拷贝，它不会省空间。此外，制作静态库，生成是*.a,或*.lib ,完全用编译器或IDE就可以搞定。但动态库，


这里生成的是bin，或者是hex。而且也不是单纯的用编译器或IDE就能搞定。


如果你需要把代码加载到RAM中运行，且有多个线程需要用到这个代码，也可以用动态链接的方法，即使你需要这段代码支持可重入的特性，这也是可以做到的。


问题点：


一、一直不太明白的一点是，做静态变量重定向的R9寄存器，原则上是该填什么值？
以下贴出关键代码片段：
C/C++ code


__global_reg(6) unsigned int *StaticVariableRelocate;
extern unsigned int *DynamicStaticVar=0;// Ö¸Ïòdllμľ2쬱äá¿
extern unsigned int HostStaticVar = 0x123455AA;

Fun DelayUs = 0;
TFun RunHostFun = 0;
NFun StaticVarInit = 0;

static unsigned int DLL_Len = 0;
static unsigned int DLL_Version = 0;   

static unsigned int  __attribute__((aligned(8))) DynamicRAM[SIZE_MEM_INT];  
extern void DynamicLoader(unsigned int AddrDynamicLinkLib)
{
    unsigned int *dst,*src;
    unsigned int *RAM_ADDRESS_DLY = (unsigned int *)DynamicRAM;   
    unsigned int DLL_Static_len,DLL_Static_offset_addr;
    unsigned int i;
     
     
    DLL_Len = *((unsigned int *)AddrDynamicLinkLib);// 从DLL首地址获取文件长度  
    DLL_Version = *((unsigned int *)(AddrDynamicLinkLib + 4));// 获取DLL版本号
    DLL_Static_offset_addr = *((unsigned int *)(AddrDynamicLinkLib + 8));// 获取动态库中静态变量区的首地址
    DLL_Static_len = DLL_Len - DLL_Static_offset_addr;//动态链接库的静态区全长

   
        //在RAM中为DLL分配静态变量区，或者说创建DLL的RW的运行域
    for(i = 0,dst = RAM_ADDRESS_DLY,src = (unsigned int *)(AddrDynamicLinkLib + DLL_Static_offset_addr); i < ((DLL_Static_len / 4) + 1); i ++){
        *dst ++= *src ++;
    }
    // 初始化宿主程序中需要用到的DLL函数地址
    DelayUs =           (Fun)   (Name2Addr(AddrDynamicLinkLib,"DelayUs",7)                  + (unsigned int)AddrDynamicLinkLib);
    RunHostFun =        (TFun)  (Name2Addr(AddrDynamicLinkLib,"RunHostFun",10)              + (unsigned int)AddrDynamicLinkLib);   
    StaticVarInit =     (NFun)  (Name2Addr(AddrDynamicLinkLib,"StaticVarInit",13)           + (unsigned int)AddrDynamicLinkLib);
     
    StaticVariableRelocate = (unsigned int *)((unsigned int)RAM_ADDRESS_DLY);  //重定向RW的地址，但地址值原则不明  

    StaticVarInit((unsigned int)LED_B_Control,&DynamicStaticVar,&HostStaticVar);
}


以上代码中StaticVariableRelocate = (unsigned int *)((unsigned int)RAM_ADDRESS_DLY);  
目的是为了重定向动态库中静态变量的地址，StaticVariableRelocate 最后会关联到CPU寄存器的R9，也就是说用R9重定向的静态变量地址，但看了几本书也都没有给我说清楚这个填入的


值，是怎么计算出来的。虽然这里看起来就是RAM_ADDRESS_DLY这么简单，也就是DynamicRAM这么规整的值，但实际上之前我每次改变DLL，这里都不是简单的RAM_ADDRESS_DLY的搞定了，


是要有一些其他的运算式，我每次都是用仿真器反向跟踪和计算出这个值的，也没有发现规律，而且这样做也很麻烦。我觉得这个点是目前最妨碍这套动态链接库推广的地方。如果这个值能


最终关联到某些由编译器更新和维护的标签，那就可以做到很傻瓜化了。不知道哪里还能找到合适的文档和书籍，解释这一点。

ljt8015

二、在动态库的汇编文件中，怎么样自动填充符号来保证DCD 特定值   在4倍地址处。
目前我用的是手动方式，比较笨，汇编也得也不是很多，不知道有没有更好的方法。
C/C++ code

                                   
                AREA    FunctionArray, DATA, READONLY, ALIGN=0      
Fun_Start      
        DCD     0x000000C4              ;//动态库的长度
        DCD     0x00000007  ;//动态库版本
        DCD     0x080040B4 - 0x08004000    ;// 静态变量的偏移地址
        DCB     "DelayUs"
        DCB     "%"     ;注意要用%或&填充空缺，把下面的DCD指令顶到4倍地址处。如果是Thumb Code，用%。如果是ARM Code，用&      
        DCD     0x0800403C - 0x08004000 + 1   ;是Thumb Code的话，加1

        DCB     "RunHostFun"
        DCB     "%%"                  ;
        DCD     0x08004054 - 0x08004000 + 1  ;
     
        DCB     "StaticVarInit"
        DCB     "%%%"               ;
        DCD     0x08004094 - 0x08004000 + 1        ;
     
        END

对应的找dll的函数名和地址的函数是：
C/C++ code

unsigned int Name2Addr(unsigned int addr,unsigned char *src,unsigned char len)
{
    unsigned char *targ = (unsigned char *)(addr);
    unsigned int i = 8,j;
     
FindHead:   
    for(j = 0; i < DLL_Len; i ++){//
        if(src[j] == targ[i]){
            j ++;
            i ++;
            break;
        }
    }
    if((i + len) < DLL_Len){//
         
    }else{
        return 0;
    }
     
    for(; j < len; j ++,i++){
        if(src[j] != targ[i]){
            goto FindHead;
        }
    }
     
    if(j == len){//
        if('%' == targ[i]){ //
            while(1){
                if(targ[i]!= '%'){ ///
                    break;
                }else{
                    i ++;
                }
            }
            if((i+4)<DLL_Len){//              
                return  (   (targ[i+0] << 8*0) |
                            (targ[i+1] << 8*1) |
                            (targ[i+2] << 8*2) |
                            (targ[i+3] << 8*3) );
            }
        }        
    }
    return 0;
}


参数资料：
1.《ARM程序分析与设计》  ，其中最后一章有非常类似的实例。
2.《ARM体系结构与编程》 第二版
3.  CM3权威指南

ljt8015

GitHub链接：
https://github.com/lr6410/SCM/tr ... amicLinkLibrary_Use

在百度网盘和CSDN资源，这两个链接上发布的工程，没有带ReadMe.txt。
但GitHub里补充了，这里贴出来文本：
C/C++ code

版本说明：
v1版本   支持几乎完整功能的动态链接库技术实现。
具体有以下特性的支持：
1.支持DLL中含有自己定义的静态变量
2.支持Host指针方式读写DLL中的静态变量
3.支持DLL调用Host中的函数
4.支持DLL指针方式读写Host中的静态变量
5.DLL支持加载域和运行域的ROPI和RWPI
6.DLL支持函数可重入机制



技术实现的基本原理：

1.DLL中定义的静态变量，初始值存储在加载域中，但分配空间的责任要交给Host，也就是说。由宿主程序从RAM中分配静态变量的存储空间给DLL的静态变量s。加载过程由动态链接库加载器完成。加载变量运行域的同时，就把DLL中静态变量的初始值赋值过去了。
2.Host调用DLL中的函数，可以间接的访问到DLL中的静态变量，但这样效率太低。为解决这个问题，Host需要“直接”访问DLL中的静态变量，但在加载静态区的时候，Host才知道具体的地址，在Host编译时是不知道的，除非绑死RAM地址！但绑死RAM地址会遇到一些问题，且不方便。所以只能通过指针的方式，而不可能真正直接的访问静态变量，这样静态区地址可以做到每次不一样。加载器在加载完RW后，要通过设置R9寄存器来完成静态变量地址重定位，这是RWPI的关键步骤。而ROPI却不需要这样的步骤。
3.DLL调用Host中函数的方法，在DLL的中事先定义函数指针，在加载器加载DLL中的静态变量区时，将Host中的函数地址传入，写入DLL的函数指针中，之后就可以调用了。
4.DLL读写Host中的静态变量，思路和上面的2大致一样，也要在DLL中事先定义好变量指针，在加载器加载时，将地址传入赋值，之后就可以读写了。
5.DLL支持加载域和运行域的ROPI和RWPI，这样能最大程度上灵活自由的放置DLL的代码和数据到不同的地方，而不用担心受到限制。
6.这里说的可重入机制，不是指临界区的那种不可重入的性质，而是指多个线程都需要访问这个DLL，但又希望每个线程有自己的实体，更细致的来说也就是，各自访问的DLL静态变量值是独立的，不受其他线程影响。解决方法是，各个线程各自分配独立的静态区，各自用各自的R9重定位静态变量区。就像UCOS2中由用户定义数组，OS使用数组作为线程调度的栈空间。RO可共享，也可独立加载到自己的RAM中


注意：
1.如果DLL中的函数需要的临界区加解锁中函数是由宿主程序提供的，如果不能在DLL中定义加解锁，请使用第3特性完成该功能！在DLL中调用Host提供的加解锁函数！
2.暂时我还没有试过DLL中使用未初始化的静态变量的情况，也就是说DLL中没有ZI段。如果可以，请将未初始化的静态变量初始化成默认零类型值，不要有ZI段。
3.暂时没试过DLL生成ARM Code的情况，所以目前v1版本用在ARMv7-M版本以下的CPU上，可能会有问题。请尽量设置DLL工程，让编译器编译成Thumb Code。

DLL工程相关设置:
1.C/C++页，要勾选ROPI和RWPI。可以的话也请勾选ELF项，这样map文件中某些信息会更细致的展开。
2.ASM页，要勾选ROPI和RWPI
3.Linker页，由于DLL没有自己main，且运行域的排列也要调整，用-ro-base和-rw-base，几乎不可能完成灵活、自由的设置，请使用分散加载脚本，可参考本工程中的sct文件。




关联量的手动设置：
assmbly文件中：
1.DLL的长度，请查看map文件，获取DLL的长度，或者直接查看生成的bin文件大小，转换成16进制数，写入assmbly.s的第一个DCD中
2.请自行维护自己的DLL版本，宿主程序兼容DLL的支持，就依靠这个版本号。填入第2个DCD
3.静态变量在DLL中的偏移地址，请查看map文件中，首个RW section的地址，然后减掉DLL的基地址，填入第3个DCD
4.将需要引出的DLL函数，函数名填入 第1个DCB
5.由于地址对齐问题，如果DCD的地址不是4的整数倍，汇编器会自动填0，保证DCD对齐到4倍地址值。
  而我这里的Name2Addr没有设计好，需要手工填写这些填0的地方，请使用DCB指令，带“%”填入
6.在map文件中查看对应的函数地址，同上，减去DLL基地址得到偏移地址，但因ARMv7-M的指令集要求，Thmub模式的函数地址，在写入PC时最后一位是1
  所以这里手动加1，不加1可能进入硬件错误。


其他函数引出都如此添加。
重复 4、5、6


动态库文件：
1.在Host中被DLL访问的函数，请先定义对应函数类型的函数指针。具体参考源码
2.在Host中被DLL访问的变量，请先定义对应类型的指针变量。具体参考源码


DLL工程中的sct文件
1.用汇编文件的方式，强制要求把含有函数名和地址的映射表排到文件头，把DLL的长度，版本，以及静态变量区的偏移量都按事先定义好的顺序存放到这里
2.将RO段的加载域紧跟其后，没有特别的要求。另外，工程编译时警告没有入口点，但DLL本身并不需要入口点。有的朋友熟悉用法，可自行添加命令，少掉这个警告。但我自己简单的试了下，在编译命令中手工指定某个函数为入口点，虽然少了两个警告，但其他的函数却被优化掉不编译，一时想不起来怎么要求编译器不优化掉没被调用的函数。所以只好还原成不带入口，只好先让编译器警告没有入口点了。
3.有个警告说最后一行不是换行的，请不要搭理它！



宿主工程中的加载器代码：
1.请注意R9寄存器的使用，也就是__global_reg(6)。ROPI和RWPI实现上不同之处，就是ROPI可以全交给IDE，RWPI却有个重定向的寄存器R9，需要加载器完成。最终到了程序员这里，需要程序员设置合适的值。
2.给DLL静态变量分配的空间，请注意地址对齐，至少要4字节对齐，请使用MDK提供的关键字 __attribute__((aligned(8))) 来修饰，这里用4不用8，可能也行。
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leiyitan

可以让单片机安装各种APP了

shtj114

没有看懂，看来够复杂的；如果重定位有很多需要考虑，如何保障每个都正确

网管同学

:)