抑嘲仁俾概述在复杂的嵌入式世界中程序代码和数据往往分散存储在多种不同的内存芯片里例如Flash、SRAM、外部SDRAM等。分散加载Scatter-Loading文件就像一张精准的“内存地图”告诉链接器Linker程序存储在哪里加载地址LR 你的代码、常量、变量的初始值应该被烧录到哪里通常是Flash。程序在哪里运行执行地址ER 哪些代码和数据将在CPU运行时被访问和使用通常是RAM或支持 XIP 的Flash。理解这个文件你就能完全掌握你的程序在芯片中是如何“安家落户”的。分散加载文件分散加载文件定义了三个核心层次它们回答了三个问题加载区域 (Load Region, LR) 程序“存储”在哪里 — 对应非易失性存储器Flash、ROM。执行区域 (Execution Region, ER) 程序“运行”在哪里 — 对应CPU实际读写的内存位置RAM或支持XIP的Flash。输入段 (Input Section) 程序“由什么组成” — 对应你的目标文件 (*.o) 中的代码段 (RO)、数据段 (RW)、未初始化段 (ZI)。分散加载文件的语法用 Backus-Naur FormBNF语言描述如下load_region_name start_address | offset [attributes] [max_size]{execution_region_name start_address | offset [attributes][max_size]{module_select_pattern [(( input_section_attr | input_section_pattern)([,] input_section_attr | , input_section_pattern)) *)]}}将这些翻译成白话文就是定义一个加载区域 必须指定一个名称和地址绝对地址start\_address或者相对偏移offset。可以可选地指定[attributes]和[max\_size]。定义一个执行区域必须指定一个名称和地址绝对地址start\_address或者 相对偏移offset。可选地指定[attributes]和[max\_size]。选择输入段必须指定一个模块选择模式例如*.o。可选地使用第一组段可以是按属性 input\_section\_attr或者 按名称input\_section\_pattern。- 然后可以重复零次或多次(*)第二组段的选择以可选的逗号[,]开头然后选择属性 input\_section\_attr或者 名称input\_section\_pattern。下面是一个简单的分散加载文件的例子。LR_ROM 0x08000000 0x00020000 {ER_ROM 0x08000000 0x00020000 {.ANY (RO)}ER_RAM 0x20000000 0x00008000 {.ANY (RW ZI)}}在这个分散加载文件中用户首先定义了一块加载区域取名为 LR_ROM。程序映像文件烧录到这里起始地址: 0x08000000, 最大容量: 0x20000 (128 KB)。第二步用户针对这一个程序映像定义了一块执行区域取名为 ER_RAM。这块区域是执行区域它起始地址和最大容量分别都为 0x08000000 和 0x20000 (128 KB)。只读代码和常量. ANY (RO)在这里存放或执行。第三步用户针对同一个程序映像还定义了一块执行区域取名为 ER_RAM。读写变量 (复制) 和未初始化变量 .ANY (RW ZI) 都在初始化的时候从加载区域被搬到了这块执行区域具体的搬运过程不在本文的讨论范围之内。存储器介质现在你已经知道分散加载文件的基本语法了但是你还需要了解嵌入式系统中不同存储介质的特性。一般来说你的程序代码和初始数据烧录在 Flash (ROM) 里但你的程序在运行时所有的变化数据变量、堆栈必须在RAM里进行读写。下表是嵌入式系统中常用介质的机制和加载/执行的机制。方案 / 介质 存储特性 执行特性 采用的加载/执行机制 关键设计考量内置 Flash (MCU) 非易失容量有限 速度较快支持XIPXIP (Execute-in-Place) 分散加载 (.data复制到SRAM) 启动快功耗低但总容量受限。内置 SRAM (MCU/MPU) 易失容量有限 速度极快 分散加载目标 (用于.data,.bss,Stack,Heap) 存储关键高速数据和代码。外部 DRAM/SDRAM 易失容量大 速度中等可作为主内存 复杂分散加载 或 OS 动态加载 容量需求需要外部总线和内存控制器引入延迟。TCM 易失容量极小 速度最快 (零等待) 分散加载目标 (用于中断代码和关键算法) 用于保障实时性Real-Time和性能关键任务。外置 QSPI/NOR Flash 非易失容量大 有限XIPXIP或 Bootloader 复制 (到 DRAM) 性能依赖QSPI接口速度和内部缓存。代码覆盖OverlayN/A (软件机制) N/A (软件机制) 动态加载/覆盖 克服 RAM 容量限制但会牺牲性能。存储器介质上的映像加载下面介绍一些不同的存储器介质上程序映像加载和执行的方案。模式一纯 RAM 加载模式需求/问题我正在开发一个桌面操作系统的引导程序Bootloader或者一个纯粹用于调试的全RAM运行环境。程序需要快速加载并且不依赖任何Flash存储。我怎样才能让程序的所有部分代码和数据都在RAM中连续运行这种模式适用于将程序加载到 RAM例如操作系统引导加载程序或桌面系统的系统。下图由单个加载区域和三个执行区域组成RO/RW/ZI 在 RAM 中连续存放无需运行时复制。模式二单 ROM 单 RAM 单应用程序需求/问题我使用的是典型的 Cortex-M 系列单片机我如何实现这个最基本的嵌入式系统启动流程这是基于ROM的嵌入式系统中最常见的配置。 Cortex-M 系列芯片采用是内置Flash(如128KB到2MB) 和内置SRAM(32KB到512KB)。程序利用Flash的 XIP (Execute-in-Place) 特性直接在Flash中运行代码RO部分。读写数据RW 初始值存储在Flash中程序启动时C运行时库 (__main) 会将这部分数据从Flash复制到RAM。未初始化数据ZI在RAM中被清零或分配。如下图LR_IROM1 0x08000000 0x00010000 { ; 加载区域64KB Flash (存储程序)ER_IROM1 0x08000000 0x00010000 { ; 执行区域Flash (XIP运行)*.o (RESET, First) ; 选中所有目标文件中的 RESET 段并使用 First 属性强制它作为 ER 中的第一个段。*(InRoot$$Sections) ; 选中所有目标文件中的 C 运行时启动段。这一段必须在 Flash 中执行负责 RW复制和 ZI 清零。.ANY (RO) ; 选中其余所有的只读代码和常量链接器会将其放在前面两个关键段之后。 **目的** 确保 CPU 能够正确启动并保证 C 环境正确初始化。.ANY (XO) ; 所有仅执行代码}RW_IRAM1 0x20000000 0x00005000 { ; 执行区域20KB RAM (数据读写).ANY (RW ZI) ; 读写变量(复制) 和 未初始化变量(清零)}}注RESET, First硬件复位后CPU 会固定从 Flash 首地址读取栈指针 (MSP) 和复位入口 (Reset Handler)。First 强制链接器把向量表放在这防止被其他代码占位导致无法启动。InRoot$$Sections这是 C 语言运行时的根代码包括数据复制算法。它必须放在根区域Flash中否则 CPU 还没来得及把数据复制到 RAM就尝试去 RAM 执行代码会导致崩溃。模式三单 ROM 单 RAM 多应用程序 (Bootloader App)需求/问题我的产品需要支持 OTA远程升级 和多分区启动。我需要在 Flash 中划分出一个不可变的 Bootloader 区域以及一个可擦除更新的 应用程序 (App) 区域。这两个程序如何安全地共享 RAM 并在不同 Flash 地址运行采用双映像策略。Bootloader位于Flash起始地址 (0x08000000)App位于Flash的偏移地址 (0x08010000)。由于它们分时运行可以复用同一块RAM空间。App 启动时必须修改向量表偏移寄存器 (VTOR)指向 App 在 Flash 中的新起始地址。这里需要为 Bootloader 和 APP 编写两个独立的 .sct 文件。1. Bootloader 的 SCT:LR_BOOT 0x08000000 0x10000 { ; Bootloader 占用前 64KB FlashER_BOOT 0x08000000 0x10000 {*.o (RESET, First) ; 物理复位入口*(InRoot$$Sections).ANY (RO)}RW_BOOT 0x20000000 0x8000 { ; 使用 RAM.ANY (RW ZI)}}2. Application 的 SCT:; 注意加载地址偏移到了 0x08010000LR_APP 0x08010000 0x40000 {ER_APP 0x08010000 0x40000 {*.o (RESET, First) ; App 的向量表放在 App 区域的开头*(InRoot$$Sections).ANY (RO)}RW_APP 0x20000000 0x8000 { ; 复用相同的 RAM 地址 (因为 Boot 已停止运行).ANY (RW ZI)}}模式四多 Flash 区域配置需求/问题内置Flash容量不足。我如何将体积庞大的只读资源图片、字库放在外部Flash(0x60000000)同时核心代码仍在内置Flash运行采用混合模式将核心代码、中断向量表和对实时性要求极高的算法放置在速度最快的 内置 Flash 中运行而将体积庞大的图片、字库等资源放置在 外置 Flash 中。根据外置 Flash 的特性这些资源可以通过 XIP 直接读取或者在需要时加载到外部 SDRAM 中。; 主Flash区域 - 应用程序代码LR_MAIN_FLASH 0x08000000 0x00080000 {ER_VECTOR 0x08000000 0x400 {*.o (RESET, First) ; 中断向量表}ER_CODE 0x08000400 (0x80000-0x400) {*(InRoot$$Sections).ANY (RO).ANY (XO)}}; 外部Flash区域 - 资源数据LR_EXT_FLASH 0x60000000 0x00400000 {ER_RESOURCES 0x60000000 0x400000 {resources.o (RO) ; 专门的资源文件fonts.o (RO)images.o (RO)}}; 内部RAMLR_RAM 0x20000000 0x00020000 {RW_DATA 0x20000000 0x1F000 {.ANY (RW ZI)}; 预留栈空间ARM_LIB_STACK 0x2001F000 EMPTY 0x1000 {}}模式五多 RAM 区域配置需求/问题我需要利用MCU内建的多种RAM速度优势将实时性要求高的DMA缓冲区放到最快的CCMRAM中并将大型GUI缓冲区分配到外部SDRAM。LR_IROM1 0x08000000 0x00080000 {ER_IROM1 0x08000000 0x00080000 {*.o (RESET, First)*(InRoot$$Sections).ANY (RO).ANY (XO)}; 主RAM - 一般数据RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000 {.ANY (RW ZI)}; 快速RAM - 关键变量RW_FAST_RAM 0x10000000 0x00004000 {fast_data.o (RW ZI) ; 指定快速访问的数据dma_buffers.o (RW ZI) ; DMA缓冲区}; 外部RAM - 大数据缓冲RW_EXT_RAM 0x60000000 0x00800000 {large_buffers.o (RW ZI)heap.o (RW ZI)}}模式六代码覆盖 (Code Overlay)需求/问题我的RAM空间非常有限但程序功能模块很多。我需要让几个不常用的模块A和B共享同一块RAM空间在需要时才将它们加载进来。当 RAM 资源有限时可以使用代码覆盖技术。使用OVERLAY属性。模块A和B在Flash中拥有独立的加载位置但它们被映射到RAM中的相同执行地址 (0x20008000)。运行时程序需要手动将所需的模块从Flash复制到这个共享的RAM区域中运行。LR_FLASH 0x08000000 0x00080000 {ER_CODE 0x08000000 0x00080000 {*.o (RESET, First)*(InRoot$$Sections)main.o (RO) ; 主程序始终在Flash中}}LR_RAM 0x20000000 0x00010000 {; 覆盖区域1OVERLAY_1 0x20008000 OVERLAY 0x2000 {module_a.o (RW ZI RO) ; 模块A的代码和数据}; 覆盖区域2 - 与区域1共享相同地址空间OVERLAY_2 0x20008000 OVERLAY 0x2000 {module_b.o (RW ZI RO) ; 模块B的代码和数据}; 通用RAM区域RW_DATA 0x20000000 0x8000 {.ANY (RW ZI)}}