嵌入式系统内存魔法之分散加载

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 \(\text{Flash}\)、\(\text{SRAM}\)、外部 \(\text{SDRAM}\) 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 \(\text{Flash}\)）。
  
• 程序在哪里运行（执行地址，ER）： 哪些代码和数据将在 \(\text{CPU}\) 运行时被访问和使用（通常是 \(\text{RAM}\) 或支持 XIP 的 \(\text{Flash}\)）。
  

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（\(\text{Flash}\)、\(\text{ROM}\)）。
  
• 执行区域 (Execution Region, ER)： 程序“运行”在哪里？ — 对应 \(\text{CPU}\) 实际读写的内存位置（\(\text{RAM}\) 或支持 \(\text{XIP}\) 的 \(\text{Flash}\)）。
  
• 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 (\(\text{RO}\))、数据段 (\(\text{RW}\))、未初始化段 (\(\text{ZI}\))。
  

分散加载文件的语法用 Backus-Naur Form（BNF）语言描述如下：

1. load_region_name  start_address | "+"offset  [attributes] [max_size]
2. {
3.     execution_region_name  start_address | "+"offset  [attributes][max_size]
4.     {
5.         module_select_pattern  ["("
6.                                     ("+" input_section_attr | input_section_pattern)
7.                                     ([","] "+" input_section_attr | "," input_section_pattern)) *
8.                                ")"]
9.     }
10. }

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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 \(\text{start\_address}\) 或者相对偏移 \(\text{"+"offset}\)）。可以可选地指定 \(\text{[attributes]}\) 和 \(\text{[max\_size]}\)。
  
• 定义一个执行区域：必须指定一个名称和地址（绝对地址 \(\text{start\_address}\) 或者 相对偏移 \(\text{"+"offset}\)）。可选地指定 \(\text{[attributes]}\) 和 \(\text{[max\_size]}\)。
  
• 选择输入段：必须指定一个模块选择模式（例如 \(\text{*.o}\)）。可选地使用：第一组段（可以是按属性 \(\text{"+" input\_section\_attr}\) 或者 按名称 \(\text{input\_section\_pattern}\)）。
  - 然后，可以重复零次或多次 \(\text{(*)}\) 第二组段的选择（以可选的逗号 \(\text{[","]}\) 开头，然后选择属性 \(\text{"+" input\_section\_attr}\) 或者 名称 \(\text{input\_section\_pattern}\)）。
  

下面是一个简单的分散加载文件的例子。

1. LR_ROM 0x08000000 0x00020000  {
2.     ER_ROM 0x08000000 0x00020000  {
3.         .ANY (+RO)
4.     }
5.     ER_RAM 0x20000000 0x00008000  {
6.         .ANY (+RW +ZI)
7.     }
8. }

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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 \(\text{XIP}\)XIP (Execute-in-Place) + 分散加载 (\(\text{.data}\) 复制到 \(\text{SRAM}\))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 \(\text{.data}\), \(\text{.bss}\), \(\text{Stack}\), \(\text{Heap}\))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 \(\text{XIP}\)XIP或 Bootloader 复制 (到 DRAM)性能依赖 \(\text{QSPI}\) 接口速度和内部缓存。代码覆盖 \(\text{Overlay}\)N/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 \(\text{RAM}\) 运行环境。程序需要快速加载，并且不依赖任何 \(\text{Flash}\) 存储。我怎样才能让程序的所有部分（代码和数据）都在 \(\text{RAM}\) 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 \(\text{ROM}\) 的嵌入式系统中最常见的配置。 Cortex-M 系列芯片采用是内置 \(\text{Flash}\) (如 \(\text{128KB}\) 到 \(\text{2MB}\)) 和内置 \(\text{SRAM}\) (\(\text{32KB}\) 到 \(\text{512KB}\))。程序利用 \(\text{Flash}\) 的 XIP (Execute-in-Place) 特性，直接在 \(\text{Flash}\) 中运行代码（\(\text{RO}\) 部分）。读写数据（\(\text{RW}\)） 初始值存储在 \(\text{Flash}\) 中，程序启动时，\(\text{C}\) 运行时库 (__main) 会将这部分数据从 \(\text{Flash}\) 复制到 \(\text{RAM}\)。未初始化数据（\(\text{ZI}\)）：在 \(\text{RAM}\) 中被清零或分配。
如下图：

1. LR_IROM1 0x08000000 0x00010000  {    ; 加载区域：64KB Flash (存储程序)
2.   ER_IROM1 0x08000000 0x00010000  {  ; 执行区域：Flash (XIP运行)
3.    *.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。
4.    *(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。
5.    .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。
6.    .ANY (+XO)                        ; 所有仅执行代码
7.   }
8.   RW_IRAM1 0x20000000 0x00005000  {  ; 执行区域：20KB RAM (数据读写)
9.    .ANY (+RW +ZI)                    ; 读写变量(复制) 和 未初始化变量(清零)
10.   }
11. }

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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。\(\text{Bootloader}\) 位于 \(\text{Flash}\) 起始地址 (0x08000000)，\(\text{App}\) 位于 \(\text{Flash}\) 的偏移地址 (0x08010000)。由于它们分时运行，可以复用同一块 \(\text{RAM}\) 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:

1. LR_BOOT 0x08000000 0x10000 {         ; Bootloader 占用前 64KB Flash
2.     ER_BOOT 0x08000000 0x10000 {
3.         *.o (RESET, +First)          ; 物理复位入口
4.         *(InRoot$$Sections)
5.         .ANY (+RO)
6.     }
7.     RW_BOOT 0x20000000 0x8000 {      ; 使用 RAM
8.         .ANY (+RW +ZI)
9.     }
10. }

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2. Application 的 SCT:

1. ; 注意：加载地址偏移到了 0x08010000
2. LR_APP 0x08010000 0x40000 {         
3.     ER_APP 0x08010000 0x40000 {
4.         *.o (RESET, +First)          ; App 的向量表放在 App 区域的开头
5.         *(InRoot$$Sections)
6.         .ANY (+RO)
7.     }
8.     RW_APP 0x20000000 0x8000 {       ; 复用相同的 RAM 地址 (因为 Boot 已停止运行)
9.         .ANY (+RW +ZI)
10.     }
11. }

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模式四：多 Flash 区域配置：

需求/问题：内置 \(\text{Flash}\) 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 \(\text{Flash}\) (\(\text{0x60000000}\))，同时核心代码仍在内置 \(\text{Flash}\) 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。

1. ; 主Flash区域 - 应用程序代码
2. LR_MAIN_FLASH 0x08000000 0x00080000 {
3.     ER_VECTOR 0x08000000 0x400 {
4.         *.o (RESET, +First)          ; 中断向量表
5.     }
6.    
7.     ER_CODE 0x08000400 (0x80000-0x400) {
8.         *(InRoot$$Sections)
9.         .ANY (+RO)
10.         .ANY (+XO)
11.     }
12. }
14. ; 外部Flash区域 - 资源数据
15. LR_EXT_FLASH 0x60000000 0x00400000 {
16.     ER_RESOURCES 0x60000000 0x400000 {
17.         resources.o (+RO)            ; 专门的资源文件
18.         fonts.o (+RO)
19.         images.o (+RO)
20.     }
21. }
23. ; 内部RAM
24. LR_RAM 0x20000000 0x00020000 {
25.     RW_DATA 0x20000000 0x1F000 {
26.         .ANY (+RW +ZI)
27.     }
28.    
29.     ; 预留栈空间
30.     ARM_LIB_STACK 0x2001F000 EMPTY 0x1000 {
31.     }
32. }

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模式五：多 RAM 区域配置

需求/问题：我需要利用 \(\text{MCU}\) 内建的多种 \(\text{RAM}\) 速度优势，将实时性要求高的 \(\text{DMA}\) 缓冲区放到最快的 \(\text{CCM}\) \(\text{RAM}\) 中，并将大型 \(\text{GUI}\) 缓冲区分配到外部 \(\text{SDRAM}\)。

1. LR_IROM1 0x08000000 0x00080000 {
2.     ER_IROM1 0x08000000 0x00080000 {
3.         *.o (RESET, +First)
4.         *(InRoot$$Sections)
5.         .ANY (+RO)
6.         .ANY (+XO)
7.     }
8.    
9.     ; 主RAM - 一般数据
10.     RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000 {
11.         .ANY (+RW +ZI)
12.     }
13.    
14.     ; 快速RAM - 关键变量
15.     RW_FAST_RAM 0x10000000 0x00004000 {
16.         fast_data.o (+RW +ZI)        ; 指定快速访问的数据
17.         dma_buffers.o (+RW +ZI)      ; DMA缓冲区
18.     }
19.    
20.     ; 外部RAM - 大数据缓冲
21.     RW_EXT_RAM 0x60000000 0x00800000 {
22.         large_buffers.o (+RW +ZI)
23.         heap.o (+RW +ZI)
24.     }
25. }

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模式六：代码覆盖 (Code Overlay)

需求/问题：我的 \(\text{RAM}\) 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 \(\text{A}\) 和 \(\text{B}\) 共享同一块 \(\text{RAM}\) 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 \(\text{OVERLAY}\) 属性。模块 \(\text{A}\) 和 \(\text{B}\) 在 \(\text{Flash}\) 中拥有独立的加载位置，但它们被映射到 \(\text{RAM}\) 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 \(\text{Flash}\) 复制到这个共享的 \(\text{RAM}\) 区域中运行。

1. LR_FLASH 0x08000000 0x00080000 {
2.     ER_CODE 0x08000000 0x00080000 {
3.         *.o (RESET, +First)
4.         *(InRoot$$Sections)
5.         main.o (+RO)                 ; 主程序始终在Flash中
6.     }
7. }
9. LR_RAM 0x20000000 0x00010000 {
10.     ; 覆盖区域1
11.     OVERLAY_1 0x20008000 OVERLAY 0x2000 {
12.         module_a.o (+RW +ZI +RO)     ; 模块A的代码和数据
13.     }
14.    
15.     ; 覆盖区域2 - 与区域1共享相同地址空间
16.     OVERLAY_2 0x20008000 OVERLAY 0x2000 {
17.         module_b.o (+RW +ZI +RO)     ; 模块B的代码和数据
18.     }
19.    
20.     ; 通用RAM区域
21.     RW_DATA 0x20000000 0x8000 {
22.         .ANY (+RW +ZI)
23.     }
24. }

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