软件Overlay：程序编写与调试

近几年来，SOC为了支持更大的硬件资源，及更精确的算法，很多应用中的软件程序代码越来越大，但是售价却要越来越便宜。各家厂商无不绞尽脑汁寻找降低成本的方法。

SRAM在SOC上，是一个快速但单位面积较大的组件，而单位面积较大代表成本较高。有一个降低成本的方法，是将程序代码放在较慢但单位面积较小的flash或ROM上，当系统需要执行里面的某些程序代码时，才加载到内存里执行。

如果用商店来比喻的话，有一个小店租在都市里的黄金店面里，小店的展示柜很小，当客人想要看架上没有的商品时，店员才从后面较大的仓库里，把商品拿出来放到展示柜上。这里的展示柜就像SRAM，昂贵但是有效率，仓库就像flash，便宜容积大但是存取较麻烦。

本文介绍的是软件overlay的技术。除此之外，晶心科技也发展了硬件overlay的技术，使得overlay执行更快，操作更为简单。期望本文章能对使用者有所帮助，也希望读者不吝指教提供您宝贵的意见。

1. 软件Overlay技术介绍及操作

我们举一个实际例子作为说明，比方说程序代码的大小为210KB，RAM只有64KB，我们把RAM规划成一格一格的大小，比方说每4KB切成一块。每4KB的大小可以在不同时间，更换成不同的程序代码，可以重复利用RAM的空间。程序代码储存在ROM或flash里，只有在执行之前会将函数从ROM或flash里动态加载SRAM里。当这个函数执行完成，下一个函数要执行前，再加载下一个函数。

值得注意的是，每一格SRAM里可加载的程序代码是互斥的，比方说有些不会同时使用的功能可以放在同一格里，比方说mp3播放器，录音和播放不会同时使用，就可以规划重复利用同一格SRAM。

1.1 系统架构

请参考图表1，右边长方形是flash的内容。0x0起1MB的空间，flash里存放了程序代码和.data，及各个即将要被overlay的sections。

图表1的左边长方形是SRAM规划，地址从0x10000000开始，我们切出三格提供overlay的SRAM，分别是0x10800000, 0x10804000及0x10808000。Overlay要规划成几格，或者每一格要切成多大块，都是由使用者规划。这里的SRAM与flash的地址是以通用型Andes FPGA开发板作例子。读者设计SOC时，可以根据实际需求定义合理的地址。

程序执行时，0x10800000可以加载.ovly0或是.ovly1。0x10804000可以加载.ovly3或是.ovly2。0x10808000可以加载.ovly4或是.ovly5。

1.2 overlay的sag文件编写

图表2是范例sag文件。Sag文件是Andes linker script generator所需要的输入文件，执行linker script generator后，输出会产生GNU linker需要的linker script。详细语法说明可以参考Andes BSP v3.2.0 User manual第12章。

我们简单介绍图表2的语法。第1行关键词USER_SECTIONS表示后面接的这几个sections都是由使用者自定义的sections。在后面的章节，笔者会介绍如何把函数指定为这些自定义sections。

1.3 sag文件转成linker script

如图表3，在cygwin下执行nds_ldsag软件，将sw-ovly.sag转成sw-nds32.ld文件。参数-o sw-nds32.ld为指定输出文件名。nds_ldsag软件可以在AndeSight 2.0.1 MCU或是BSP v3.2.0里取得。

1.4 程序里指定函数或变量放在自定义的sections

GNU ld (linker)可连结目标文件为可执行文件，排列上的最小单位是section，基本的sections为.text，.data及.bss这3个sections。为了达成分区overlay的功能，必须指定函数或是变量在自定义的sections上。在前一节里我们介绍了我们切出3个区域可以做overlay，分别是OVLY0(从0x10800000起)，OVLY1(从0x10804000起)及OVLY2(从0x10808000起)三个区域。指定函数overlay0放在自定义section .overlay0里，要使用__attribute__((section(".overlay0")))语法，完整写法请参考图表4a。图表4b.是另外一种写法。

1.5 各sections的LMA与VMA

图表6，是各个section的LMA和VMA。在这个表上，可以看.andes32_init到.sdata_w的LMA从0x0~0x29dc，这些section的LMA是连续的。.overlay0与.overlay1做overlay，所以有共同的VMA 0x10800000。同样的，.overlay2和.overlay3，具有共同的VMA 0x10804000。.Overlay4和.overlay5，也有同样的VMA 0x18008000。

1.6 overlay程序的加载

前面已经介绍overlay section的sag文件写法。那么如何加载用户想要用的overlay程序呢?

请看图表7，这是overlay的执行程序代码。第5行OverlayLoad(0)表示载入section .overlay0。第6行OverlayLoad(4)表示载入section .overlay4。第7行在.overlay0被加载后，执行overlay0()，可以正常工作。

再来我们介绍一下Overlay manager的程序运作，Overlay manager即为图表7中的函数OverlayLoad。图表8列出Overlay manager代码段，主要做了两件事。一，修改mapped table _ovly_table，标示overlay section是mapped或是unmapped。_ovly_table的用途是让gdb知道目前加载的是哪一个section，使得gdb在debug时，能自动切换为正确的调试信息。

二，在程序执行时期将函数加载，函数ovly_copy是一个memcpy函数，将函数从LMA复制到VMA上。当OverlayLoad(0)执行完后，overlay0函数主体便存在于VMA上，可正确的执行。

图表9为_ovly_table的内容，要标示每一个overlay section的vma, size, lma,和是否mapped。必须要注意的一点，_ovly_table要位在一个lma等于vma的区域里。

2. 调试Overlay的程序

开启自动overlay调试功能的gdb命令是overlay auto。当overlay auto开启后，对于使用者来说，与一般程序的调试方法相同。

图表8的最后一行_ovly_debug_event()的用途是让gdb能把断点加在正确的地址上，这一行要写在OverlayLoad的后面。必须要有这一行，gdb的自动overlay调试才能正常。

当用户加一个断点在被overlay的区域，gdb会在函数被加载之后(即为执行完OverlayLoad)，遇到_ovly_debug_event时，自动的把断点加到overlay的地址上。

3. 参考数据

Overlay Commands https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Overlay-Commands.html

Automatic Overlay Debugging https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Automatic-Overlay-Debugging.html#Automatic-Overlay-Debugging

Debugging Programs That Use Overlays

http://davis.lbl.gov/Manuals/GDB/gdb_11.html

Andes BSP v3.2.0 User Manual

Chapter 12 “Linker Script Generation”