DSP覆蓋（Overlay）程序設計

吳 潔，李尚柏

（四川大學 原子核科學技術研究所 輻射物理及技術教育部重點實驗室，四川 成都 610064）

通常DSP程序是被加載到DSP的內部存儲器中執行的。調試過程中，用CCS集成環境將編譯好的代碼通過JTAG接口下載到DSP的內部存儲器執行；調試完成后，將程序代碼燒錄到DSP的外部存儲器，在 DSP上電時，自動將程序代碼裝載到內部存儲器執行[1]。但是，DSP的內部存儲器有限的。如果程序代碼及其使用的數據區大于DSP的內部存儲器，就會限制DSP程序的開發。解決這種困局的一個有效的方法是使用Overlay程序設計技術。

早期計算機的內存是非常小的，又要完成較為復雜的任務，開發人員提出了Overlay的程序設計思想。隨著大規模集成電路技術的發展，擁有更多的計算機內存已不是奢望，Overlay技術似乎已逐漸被遺忘。然而，對嵌入式系統和DSP而言，內部存儲器仍然是稀缺資源，Overlay技術仍然具有用武之地[2]。本文將討論DSP Overlay程序的設計技術和實現步驟，并通過一個具體的實例在C6000系列DSP上來實現Overlay程序設計技術。

1 鏈接命令文件

在DSP上，對目標系統存儲器的配置以及對段（代碼段、數據段等）的配置是實現Overlay的關鍵技術之一。鏈接命令文件是一個以.cmd為后綴的文本文件，其主要用途就是定義目標存儲器的模型，以及指定模塊要加載的位置。它包含：要鏈接的目標文件名、鏈接器選項、MEMORY指令（定義目標系統的存儲器的配置）、SECTIONS指令 （定義段在目標系統中的配置）。表1給出了鏈接命令文件中主要的保留字。

表1 命令鏈接文件主要保留字Tab.1 The main reserved words of command link file

UNION：產生一個聯合段，其中的輸出段具有相同的運行地址。當程序代碼很大，不能加載到目標系統的內部存儲器中執行時，希望互相獨立的段運行在相同的地址[3]。

2 Overlay源程序設計

本文討論的DSP Overlay程序設計主要是解決內存資源不足的問題，方法是用若干模塊構建一個聯合段，使聯合段中各成員模塊共享一塊運行內存，需要執行哪個模塊就把它從裝載內存復制到運行內存來執行。由此可見，聯合段中的成員模塊具有互斥性，也就是說，在同一時間只能運行一個聯合段中的模塊。因此，本DSP Overlay源程序的設計就是把要完成的任務合理的劃分成多個功能模塊[4]。

2.1 Overlay設計實例

在本DSP Overlay程序設計實例中，設計了4個功能模塊和兩個公用模塊。每個功能模塊的源代碼分別存儲為獨立的源文件task1.c（計算出兩個整數的和，再乘以比例系數ratio）、task2.c（調用公共函數 IntSub，并返回 IntSub 的結果）、task3.c（計算兩個整數的積）、task4.c（計算兩個整數的平方和）。公用模塊vectors.asm包含中斷矢量的映射，main.c包含硬件設備的初始化、中斷服務程序和公用函數。鏈接命令文件overly.cmd是每個DSP程序不可或缺的。命令鏈接文件是Overlay設計的關鍵，下面將重點討論其使用和Overlay程序的設計思想。

1）鏈接命令文件overlay.cmd，如程序1所示：程序1鏈接命令文件

/*目標系統存儲器配置*/

MEMORY

{

RAM :origin=0x00000000，len=0x010000/*數據存儲器*/

OVLMEM :origin=0x00010000，len=0x010000/*Overlay模塊運行存儲器*/

ROM :origin=0x00020000，len=0x020000/*程序存儲器*/

SDRAM :origin=0x80000000，len=0x1000000/*擴展存儲器*/

}

/*段配置*/

SECTIONS

{

.vectors>ROM /*中斷映射段配置*/

.text >ROM /*公共代碼段配置*/

.bss >RAM /*未初始化數據段配置*/

.cinit>RAM /*已初始化數據段配置*/

.const>RAM /*常數段配置*/

.far >RAM /*遠指針段配置*/

.stack >RAM /*堆棧段配置*/

.cio >RAM /*流式I/O函數緩沖區配置*/

.sysmem>RAM/*系統堆內存段配置*/

/*聯合段配置*/

UNION

{

.task12:{debug ask1.obj （.text）， debug ask2.obj（.text）}

load >> SDRAM， table （BINIT），table（_task12_ctbl）

.task34:{debug ask3.obj （.text）， debug ask4.obj（.text）}

load>>SDRAM， table（_task34_ctbl）

}run=OVLMEM

.ovly:{}>RAM/*聯合段拷貝表段配置*/

.binit:{}>RAM/*引導時的聯合段拷貝表配置*/

}

在上述程序1MEMORY命令中，定義了目標系統的存儲器配置，設置了數據存儲器 （RAM）、聯合段模塊運行存儲器（OVLMEM）、程序存儲器（ROM）、擴展存儲器（SDRAM）的起始地址和長度。在SECTIONS命令中，首先定義了輸出段的配置，將可執行代碼段 （.text和.vectors）配置到程序存儲器（ROM）， 將 其 它 的 數 據 段 （.bss、.cinit、.const、.far、.cio 和 .sysmem）配置到數據存儲器（RAM）；其次還配置了聯合段，在聯合段中使用的table（arg）算符使得鏈接器生成了一個拷貝表（此拷貝表必須具有唯一的名字），同時用arg生成一個變量名，應用程序可以用這個變量名訪問拷貝表。如果指定table（BINIT）（arg為BINIT），則鏈接器產生一個引導時的拷貝表，也即產生一個默認的拷貝表段，供系統初始加載時使用[5]。

圖1 實例的內存配置和段配置Fig.1 The instance of memory configuration and section configuration

本程序設計中，鏈接器根據鏈接命令文件（程序1）產生的目標系統內存配置和段配置如圖1所示。圖中左側部分是MEMORY所定義的系統存儲器配置，右側部分是根據SECTIONS的描述產生的模塊定位信息。鏈接器把所有的數據段定位到RAM存儲器。實際使用數據空間的段依次為系統堆棧段.stack（長度為 0x7d0）、已初始化數據段.cinit（長度為 0x264）、遠指針段.far（長度為 0x250）、常數段.const（長度為 0x20）、未初始化段.bss（長度為 0x14）、拷貝表段.ovly（長度為0x20）、引導加載拷貝表段.binit（長度為0x10）。鏈接器把代碼段.text定位在ROM存儲器，占用存儲空間0x20a0字節。聯合段的.task12和.task34分別定位在SDRAM存儲器的0x8000000和0x80000100處，分別占用存儲空間0x100和0x0e0字節。當程序運行時，根據需要把聯合段的成員拷貝到OVLMEM存儲空間來執行。

對本DSP Overlay程序設計實例的工程項目編譯鏈接后，打開映射文件（*.map）可以看到鏈接器產生的詳細信息，下面給出內存配置信息、段定位信息和拷貝表信息：

①內存配置信息（MEMORY CONFIGURATION）

name origin length used attr fill

RAM 00000000 00010000 00000d00 RWIX

OVLMEM 00010000 00010000 00000100 RWIX

ROM 00020000 00040000 00001fa0 RWIX

SDRAM 80000000 01000000 000001e0 RWIX

由于本實例比較簡單，所以內存的使用也較少。對于復雜的任務，或內存資源較少的目標系統，ROM空間可能不足以加載所有代碼。

②段定位信息（SECTION ALLOCATION MAP）

output attributes/

section page origin length input sections

-------- ----- ---------- ----------

.task12 0 80000000 00000100 RUN ADDR=00010000

80000000 000000c0 task1.obj（.text）

800000c0 00000040 task2.obj （.text）

.task34 0 80000100 000000e0 RUN ADDR=00010000

80000100 00000080 task3.obj （.text）

80000180 00000060 task4.obj （.text）

.ovly 0 00000cd0 00000030

聯合段.task12和.task34的運行地址均為0x00010000，但各自的加載地址不同，.task12的加載地址為0x80000000，.task34的加載地址為0x80000100。拷貝表段.ovly起始地址為0x00000cd0，長度為 0x30，包含 _task12_ctbl、_task34_ctbl和BINIT3個表項。

③拷貝表信息（LINKER GENERATED COPY TABLES）

_task12_ctbl@ 00000cd0 records:1， size/record:12，table size:16

.task12:copy 256 bytes from load addr=80000000 to run addr=00010000

_task34_ctbl@ 00000ce0 records:1， size/record:12，table size:16

.task34:copy 224 bytes from load addr=80000100 to run addr=00010000

BINT@00000cf0 records:1，size/record:12，table size:16

.task12:copy 256 bytes from load addr=80000000 to run addr=00010000

拷貝表信息有3條記錄，第一條記錄說明拷貝表段task12_ctbl的存儲地址為 0x0cd0，有 1個記錄，每個記錄的大小為12字節，拷貝表的大小為16字節。.task12段的加載地址為0x80000000，運行地址為0x00010000，拷貝的長度為256字節。加載.task12模塊時從0x8000000拷貝256個字節到0x00010000；同理，第二條記錄列出了拷貝表段task34_ctbl的具體信息；第三記錄是引導時加載的拷貝表信息，由于在鏈接命令文件中指定.task12段為引導時的加載段，所以第三條記錄與第一條相同。

2）公共模塊程序設計

公共模塊包含了硬件設備的初始化、中斷服務程序、公用函數和運行主函數。從圖2可以看出，主函數主要完成兩項任務，初始化和Overlay模塊的加載執行。初始化工作主要包括芯片支持庫初始化，系統時鐘初始化。在初始化系統時鐘之前要求關閉所有中斷。對外部總線進行初始化才能使目標板上擴展的SDRAM存儲器正常工作。本實例使用定時器調度Overlay模塊的執行，所以還需進行定時器初始化和中斷初始化。從圖2也可以看出，在定時器事件的驅動下，兩個Overlay模塊交替加載和執行。當第一個定時器事件發生時，ovlyFlag＝0，將.task34段拷貝到運行內存，然后依次執行task3（）、task4（）和 IntSub（）函數。 task3（）和 task4（）是聯合段.task34中的函數，必須先將.task34段拷貝到內存中才能調用這兩個函數。IntSub（）是公共模塊中的函數，它常駐內存，隨時都可以執行。當第二個定時器事件發生時，ovlyFlag=1，將.task12段拷貝到運行內存，然后依次執行 task1（）、task2（）和IntAdd（）函數。這三個函數是聯合段.task12中的函數，必須先將.task12段拷貝到內存中才能調用。

3）功能模塊設計

本應用實例設計了4個功能模塊。模塊1設計了該模塊的局部函數 int IntAdd（int，int）（實現兩個整數的加法）和功能函數 int task1（int， int）（加載后由主函數調用）。 task1 調用局部函數IntAdd，并將所得到的結果與全局變量ratio相乘。模塊2設計了一個功能函數task2（int，int），加載后由主函數調用。task2調用全局函數IntSub（int，int），實現兩個整數的減法。模塊3和模塊4分別設計了一個功能函數task3（int，int）和 task4（int， int），task3 實現了兩個整數的乘積，task4 實現了兩個整數的平方和。

2.2 Overlay模塊的動態加載

多個Overlay模塊共享同一塊運行內存，因而必須根據需要動態地加載Overlay模塊。要實現這個目的，必須知道鏈接器所產生的拷貝表結構。拷貝表的結構信息定義在運行支持庫的頭文件cpy_tbl.h中。對于每個需要動態加載的模塊，鏈接器都會為其產生一個COPY_RECORD結構對象（包含裝載地址、運行地址和需要拷貝的代碼長度）。鏈接器將所有COPY_RECORD結構對象組織成一個COPY_TABLE結構對象。根據COPY_TABLE的內容，將代碼從裝載地址拷貝到運行地址[6]。裝載的task34模塊的程序代碼如程序2所示。

圖2 main函數的執行流程Fig.2 The execution process of main funtion

程序2 Overlay段task34的裝載和執行

copy_in（&task34_ctbl）； //拷貝.task34 段代碼

CACHE_invAllL1p（）； //更新 cache

asm（“nop 5”）； //消除流水線的影響

val1=task3（taskIn1，taskIn1）； //調用 task3，執行 a*b

val2=task4（taskIn1，taskIn1）； //調 用 task4， 執 行a*a+b*b

val3=IntSub（val1，val2）；//調用全局函數，執行 2a-3b

值得注意的是，當所使用的DSP具有cache（高速緩存）時，在調用完copy_in函數之后，執行剛剛加載的代碼之前，應該刷新程序cache的內容。

3 Overlay程序的調試和運行

多個Overlay模塊共享一塊運行內存，代碼是動態加載的，程序的跟蹤調試有所不同。

3.1 加載Overlay代碼模塊到外部內存

在實際的運行中，為了調試方便，暫時將Overlay模塊的加載地址定位在SDRAM，待調試完成后，再將其定位到目標系統的程序存儲器。調試時，在下載.task12段和.task34段時可能會出現錯誤提示，可以暫時忽略此錯誤。當下載完成后，在外總線初始化函數EMIFInit（）之后設置斷點，然后運行程序到所設置的斷點處，此時外部總線已被初始化，重新下載*.out文件，就能避免這個錯誤。

3.2 Overlay代碼的跟蹤調試

在跟蹤調試時，如果想跟蹤調試某一Overlay模塊，可以暫時不把該模塊放在聯合段中，待調試完成后，再把它添加到聯合段中。為此，除了要修改鏈接命令文件外，還要修改Overlay模塊的加載代碼。例如要調試.task34模塊，可以修改鏈接器命令文件中部分代碼如下：

SECTIONS

……

/*.task34:{debug ask3.obj（.text）， debug ask4.obj（.text） }

load>>SDRAM， table（_task34_ctbl）*/

……

}

由于在聯合段中刪除了.task34段，鏈接器將把目標文件task3.obj和task4.obj的.text段鏈接到統一的.text輸出段中，并把它定位到ROM存儲器。經上述修改，函數task3（int，int）和task4（int，int）將成為公共代碼的一部分，編譯、鏈接、下載后，即可在源代碼級跟蹤調試它們。此方法是將要調試的模塊作為公共模塊的一部分，任何時候都可在源代碼級跟蹤調試。

4 結束語

文中通過討論DSP覆蓋（Overlay）程序設計技術的開發方法，有效解決了由于DSP的內部存儲器有限，當程序代碼及其使用的數據區大于DSP的內部存儲器時，則會限制DSP程序的開發這一困局，并在TMS320C6713B上通過調試和運行，成功應用于基于DSP的繼電保護測試儀中，取得了滿意的結果。

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