DSP覆盖（Overlay）程序设计

吴 洁，李尚柏

（四川大学 原子核科学技术研究所 辐射物理及技术教育部重点实验室，四川 成都 610064）

通常DSP程序是被加载到DSP的内部存储器中执行的。调试过程中，用CCS集成环境将编译好的代码通过JTAG接口下载到DSP的内部存储器执行；调试完成后，将程序代码烧录到DSP的外部存储器，在 DSP上电时，自动将程序代码装载到内部存储器执行[1]。但是，DSP的内部存储器有限的。如果程序代码及其使用的数据区大于DSP的内部存储器，就会限制DSP程序的开发。解决这种困局的一个有效的方法是使用Overlay程序设计技术。

早期计算机的内存是非常小的，又要完成较为复杂的任务，开发人员提出了Overlay的程序设计思想。随着大规模集成电路技术的发展，拥有更多的计算机内存已不是奢望，Overlay技术似乎已逐渐被遗忘。然而，对嵌入式系统和DSP而言，内部存储器仍然是稀缺资源，Overlay技术仍然具有用武之地[2]。本文将讨论DSP Overlay程序的设计技术和实现步骤，并通过一个具体的实例在C6000系列DSP上来实现Overlay程序设计技术。

1 链接命令文件

在DSP上，对目标系统存储器的配置以及对段（代码段、数据段等）的配置是实现Overlay的关键技术之一。链接命令文件是一个以.cmd为后缀的文本文件，其主要用途就是定义目标存储器的模型，以及指定模块要加载的位置。它包含：要链接的目标文件名、链接器选项、MEMORY指令（定义目标系统的存储器的配置）、SECTIONS指令 （定义段在目标系统中的配置）。表1给出了链接命令文件中主要的保留字。

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

UNION：产生一个联合段，其中的输出段具有相同的运行地址。当程序代码很大，不能加载到目标系统的内部存储器中执行时，希望互相独立的段运行在相同的地址[3]。

2 Overlay源程序设计

本文讨论的DSP Overlay程序设计主要是解决内存资源不足的问题，方法是用若干模块构建一个联合段，使联合段中各成员模块共享一块运行内存，需要执行哪个模块就把它从装载内存复制到运行内存来执行。由此可见，联合段中的成员模块具有互斥性，也就是说，在同一时间只能运行一个联合段中的模块。因此，本DSP Overlay源程序的设计就是把要完成的任务合理的划分成多个功能模块[4]。

2.1 Overlay设计实例

在本DSP Overlay程序设计实例中，设计了4个功能模块和两个公用模块。每个功能模块的源代码分别存储为独立的源文件task1.c（计算出两个整数的和，再乘以比例系数ratio）、task2.c（调用公共函数 IntSub，并返回 IntSub 的结果）、task3.c（计算两个整数的积）、task4.c（计算两个整数的平方和）。公用模块vectors.asm包含中断矢量的映射，main.c包含硬件设备的初始化、中断服务程序和公用函数。链接命令文件overly.cmd是每个DSP程序不可或缺的。命令链接文件是Overlay设计的关键，下面将重点讨论其使用和Overlay程序的设计思想。

1）链接命令文件overlay.cmd，如程序1所示：程序1链接命令文件

/*目标系统存储器配置*/

MEMORY

{

RAM :origin=0x00000000，len=0x010000/*数据存储器*/

OVLMEM :origin=0x00010000，len=0x010000/*Overlay模块运行存储器*/

ROM :origin=0x00020000，len=0x020000/*程序存储器*/

SDRAM :origin=0x80000000，len=0x1000000/*扩展存储器*/

}

/*段配置*/

SECTIONS

{

.vectors>ROM /*中断映射段配置*/

.text >ROM /*公共代码段配置*/

.bss >RAM /*未初始化数据段配置*/

.cinit>RAM /*已初始化数据段配置*/

.const>RAM /*常数段配置*/

.far >RAM /*远指针段配置*/

.stack >RAM /*堆栈段配置*/

.cio >RAM /*流式I/O函数缓冲区配置*/

.sysmem>RAM/*系统堆内存段配置*/

/*联合段配置*/

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/*联合段拷贝表段配置*/

.binit:{}>RAM/*引导时的联合段拷贝表配置*/

}

在上述程序1MEMORY命令中，定义了目标系统的存储器配置，设置了数据存储器 （RAM）、联合段模块运行存储器（OVLMEM）、程序存储器（ROM）、扩展存储器（SDRAM）的起始地址和长度。在SECTIONS命令中，首先定义了输出段的配置，将可执行代码段 （.text和.vectors）配置到程序存储器（ROM）， 将 其 它 的 数 据 段 （.bss、.cinit、.const、.far、.cio 和 .sysmem）配置到数据存储器（RAM）；其次还配置了联合段，在联合段中使用的table（arg）算符使得链接器生成了一个拷贝表（此拷贝表必须具有唯一的名字），同时用arg生成一个变量名，应用程序可以用这个变量名访问拷贝表。如果指定table（BINIT）（arg为BINIT），则链接器产生一个引导时的拷贝表，也即产生一个默认的拷贝表段，供系统初始加载时使用[5]。

图1 实例的内存配置和段配置Fig.1 The instance of memory configuration and section configuration

本程序设计中，链接器根据链接命令文件（程序1）产生的目标系统内存配置和段配置如图1所示。图中左侧部分是MEMORY所定义的系统存储器配置，右侧部分是根据SECTIONS的描述产生的模块定位信息。链接器把所有的数据段定位到RAM存储器。实际使用数据空间的段依次为系统堆栈段.stack（长度为 0x7d0）、已初始化数据段.cinit（长度为 0x264）、远指针段.far（长度为 0x250）、常数段.const（长度为 0x20）、未初始化段.bss（长度为 0x14）、拷贝表段.ovly（长度为0x20）、引导加载拷贝表段.binit（长度为0x10）。链接器把代码段.text定位在ROM存储器，占用存储空间0x20a0字节。联合段的.task12和.task34分别定位在SDRAM存储器的0x8000000和0x80000100处，分别占用存储空间0x100和0x0e0字节。当程序运行时，根据需要把联合段的成员拷贝到OVLMEM存储空间来执行。

对本DSP Overlay程序设计实例的工程项目编译链接后，打开映射文件（*.map）可以看到链接器产生的详细信息，下面给出内存配置信息、段定位信息和拷贝表信息：

①内存配置信息（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

由于本实例比较简单，所以内存的使用也较少。对于复杂的任务，或内存资源较少的目标系统，ROM空间可能不足以加载所有代码。

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

联合段.task12和.task34的运行地址均为0x00010000，但各自的加载地址不同，.task12的加载地址为0x80000000，.task34的加载地址为0x80000100。拷贝表段.ovly起始地址为0x00000cd0，长度为 0x30，包含 _task12_ctbl、_task34_ctbl和BINIT3个表项。

③拷贝表信息（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

拷贝表信息有3条记录，第一条记录说明拷贝表段task12_ctbl的存储地址为 0x0cd0，有 1个记录，每个记录的大小为12字节，拷贝表的大小为16字节。.task12段的加载地址为0x80000000，运行地址为0x00010000，拷贝的长度为256字节。加载.task12模块时从0x8000000拷贝256个字节到0x00010000；同理，第二条记录列出了拷贝表段task34_ctbl的具体信息；第三记录是引导时加载的拷贝表信息，由于在链接命令文件中指定.task12段为引导时的加载段，所以第三条记录与第一条相同。

2）公共模块程序设计

公共模块包含了硬件设备的初始化、中断服务程序、公用函数和运行主函数。从图2可以看出，主函数主要完成两项任务，初始化和Overlay模块的加载执行。初始化工作主要包括芯片支持库初始化，系统时钟初始化。在初始化系统时钟之前要求关闭所有中断。对外部总线进行初始化才能使目标板上扩展的SDRAM存储器正常工作。本实例使用定时器调度Overlay模块的执行，所以还需进行定时器初始化和中断初始化。从图2也可以看出，在定时器事件的驱动下，两个Overlay模块交替加载和执行。当第一个定时器事件发生时，ovlyFlag＝0，将.task34段拷贝到运行内存，然后依次执行task3（）、task4（）和 IntSub（）函数。 task3（）和 task4（）是联合段.task34中的函数，必须先将.task34段拷贝到内存中才能调用这两个函数。IntSub（）是公共模块中的函数，它常驻内存，随时都可以执行。当第二个定时器事件发生时，ovlyFlag=1，将.task12段拷贝到运行内存，然后依次执行 task1（）、task2（）和IntAdd（）函数。这三个函数是联合段.task12中的函数，必须先将.task12段拷贝到内存中才能调用。

3）功能模块设计

本应用实例设计了4个功能模块。模块1设计了该模块的局部函数 int IntAdd（int，int）（实现两个整数的加法）和功能函数 int task1（int， int）（加载后由主函数调用）。 task1 调用局部函数IntAdd，并将所得到的结果与全局变量ratio相乘。模块2设计了一个功能函数task2（int，int），加载后由主函数调用。task2调用全局函数IntSub（int，int），实现两个整数的减法。模块3和模块4分别设计了一个功能函数task3（int，int）和 task4（int， int），task3 实现了两个整数的乘积，task4 实现了两个整数的平方和。

2.2 Overlay模块的动态加载

多个Overlay模块共享同一块运行内存，因而必须根据需要动态地加载Overlay模块。要实现这个目的，必须知道链接器所产生的拷贝表结构。拷贝表的结构信息定义在运行支持库的头文件cpy_tbl.h中。对于每个需要动态加载的模块，链接器都会为其产生一个COPY_RECORD结构对象（包含装载地址、运行地址和需要拷贝的代码长度）。链接器将所有COPY_RECORD结构对象组织成一个COPY_TABLE结构对象。根据COPY_TABLE的内容，将代码从装载地址拷贝到运行地址[6]。装载的task34模块的程序代码如程序2所示。

图2 main函数的执行流程Fig.2 The execution process of main funtion

程序2 Overlay段task34的装载和执行

copy_in（&task34_ctbl）； //拷贝.task34 段代码

CACHE_invAllL1p（）； //更新 cache

asm（“nop 5”）； //消除流水线的影响

val1=task3（taskIn1，taskIn1）； //调用 task3，执行 a*b

val2=task4（taskIn1，taskIn1）； //调 用 task4， 执 行a*a+b*b

val3=IntSub（val1，val2）；//调用全局函数，执行 2a-3b

值得注意的是，当所使用的DSP具有cache（高速缓存）时，在调用完copy_in函数之后，执行刚刚加载的代码之前，应该刷新程序cache的内容。

3 Overlay程序的调试和运行

多个Overlay模块共享一块运行内存，代码是动态加载的，程序的跟踪调试有所不同。

3.1 加载Overlay代码模块到外部内存

在实际的运行中，为了调试方便，暂时将Overlay模块的加载地址定位在SDRAM，待调试完成后，再将其定位到目标系统的程序存储器。调试时，在下载.task12段和.task34段时可能会出现错误提示，可以暂时忽略此错误。当下载完成后，在外总线初始化函数EMIFInit（）之后设置断点，然后运行程序到所设置的断点处，此时外部总线已被初始化，重新下载*.out文件，就能避免这个错误。

3.2 Overlay代码的跟踪调试

在跟踪调试时，如果想跟踪调试某一Overlay模块，可以暂时不把该模块放在联合段中，待调试完成后，再把它添加到联合段中。为此，除了要修改链接命令文件外，还要修改Overlay模块的加载代码。例如要调试.task34模块，可以修改链接器命令文件中部分代码如下：

SECTIONS

……

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

load>>SDRAM， table（_task34_ctbl）*/

……

}

由于在联合段中删除了.task34段，链接器将把目标文件task3.obj和task4.obj的.text段链接到统一的.text输出段中，并把它定位到ROM存储器。经上述修改，函数task3（int，int）和task4（int，int）将成为公共代码的一部分，编译、链接、下载后，即可在源代码级跟踪调试它们。此方法是将要调试的模块作为公共模块的一部分，任何时候都可在源代码级跟踪调试。

4 结束语

文中通过讨论DSP覆盖（Overlay）程序设计技术的开发方法，有效解决了由于DSP的内部存储器有限，当程序代码及其使用的数据区大于DSP的内部存储器时，则会限制DSP程序的开发这一困局，并在TMS320C6713B上通过调试和运行，成功应用于基于DSP的继电保护测试仪中，取得了满意的结果。

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