CN108196905A - 一种基于dsp的动态加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP的动态加载方法，包括ELF文件预处理、ELF文件读取与解析、符号导出、符号重定位和运行模块，其中，ELF文件预处理包括：ELF预处理、在汇编文件中查找符号地址和计算出某个地址对应指令在ELF文件中的位置三个流程。本发明基于CCS编译器实现DSP动态加载的方法解决了B14切换问题；提高可重定位代码执行效率，用于CCS编译器以及GCC编译器所编译的可重定位代码。

Description

一种基于DSP的动态加载方法
技术领域
本发明涉及计算机技术，特别是涉及一种基于DSP的动态加载方法。
背景技术
动态加载(英语：Dynamic Loading)是一种实现应用程序与操作系统分离的方法，它能使操作系统可以在运行时加载应用程序或动态库(或者其他二进制对象)到内存中，检索库中函数和变量的地址，执行这些函数或访问这些变量，并能将库从内存中卸载。
CCS是TI公司提供的高效的C编译器和集成开发环境。针对DSP处理器，CCS编译的程序执行效率高。GCC也可以支持DSP处理器，但程序的执行效率很低。
瑞典Enea的OSEck操作系统是目前较为流行的DSP商业实时操作系统，提供较为丰富的操作系统管理组件，并且使用CCS编译器，效率高。该系统中应用程序与操作系统绑定在一起，每次升级都要升级整个操作系统和应用。随着程序规模的扩大，会不断增加升级的时间及耦合度，不利于程序的开发调试和维护。
ucLinux操作系统使用gcc编译器，它的应用程序和操作系统分离，并支持动态加载技术，有利于开发和维护。但针对DSP处理器，ucLinux使用的GCC编译器的效率无法与CCS编译器相比。
OSEck操作系统使用CCS编译器，与DSP处理器的契合度非常好，程序运行效率高，但不支持动态加载技术；ucLinux操作系统使用gcc编译器，应用程序和操作系统分离，并支持动态加载技术，有利于开发和维护，但程序的运行效率低下。这两个系统各有特点，但都无法兼顾动态加载技术和程序的运行效率。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种在CCS编译器基础上实现程序的动态加载，同时优化程序中的函数调用跳转流程，提高代码的运行效率的基于DSP的动态加载方法。
技术方案：本发明的一种基于DSP的动态加载方法，包括以下步骤：
(1)ELF文件预处理；
(2)ELF文件读取与解析
ELE文件是可执行程序的特有文件格式，里面包含了所有文件执行所需要的相关信息，加载的第一步就是读取和解析文件，建立ELF模块结构；
(3)符号导出
一个ELF模块需要导出一些符号，给其它模块使用，加载过程需为每个ELF模块建立一个符号表；
(4)符号重定位
一个ELF模块需要用到其它ELF模块的符号，加载器为每个ELF模块建立一个导入符号表，针对每个外部符号，通过步骤(2)所属方法查找到符号地址，并填写到本模块的导入符号表；
(5)运行模块
调用ELF格式中记录的初始化函数和模块入口函数。
进一步的，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)反汇编ELF文件，生成汇编文件；
(12)定位到汇编文件头，；
(13)从汇编文件读取一行，判断是否文件结束，若文件结束，则处理结束；否则执行步骤(14)；
(14)判断其是否为跳转指令
匹配正则表达式$(ADDR)CALL PLT_$(FUNC_NAME)，如果匹配成功，则说明是跳转指令，执行步骤(15)；否则返回到步骤(13)；
(15)查找目标符号位置
在本汇编文件中查找步骤(14)所匹配到的FUNC_NAME字段对应的符号地址；
(16)判断目标符号是否在本模块内
如果目标符号在本模块内没有找到，则回到步骤(13)；否则，执行步骤(17)；
(17)判断目标地址是否超出相对跳转范围
将符号地址减去步骤(14)匹配到的$(ADDR)，得到相对跳转偏移，如果偏移超过CALL指令相对跳转的最大值，则返回步骤(13)；否则执行步骤(18)；
(18)计算地址对应的ELF文件位置
计算出$(ADDR)地址对应指令在ELF文件中的位置，执行步骤(19)；
(19)修改地址对应ELF指令
根据偏移生成新的“CALL+偏移”指令，修改步骤(18)计算得到的ELF文件位置，更新其内容为新生成的“CALL+偏移”指令。
更进一步的，所述步骤(15)中查找符号地址的方法包括以下步骤：
(21)定位到汇编文件头；
(22)从汇编文件读取一行；
(23)判断是否文件结束
如果文件结束，则返回0，表示未找到符号地址；否则执行步骤(24)；
(24)匹配正则表达式“$(ADDR)$(NAME)：”，匹配成功则执行步骤(25)；否则回到步骤(22)；
(25)如果$(NAME)与传入的$(FUNC_NAME)相等，则返回$(ADDR)所代表的地址；否则回到步骤(22)。
更进一步的，所述步骤(18)中计算$(ADDR)地址对应指令在ELF文件中的位置的方法，包括以下步骤：
(31)读取ELF头，分析ELF段表，每个段由“段起始地址”，“段长度”，“段在ELF文件中的偏移”组成；
(32)处理指针定位到段表头；
(33)针对处理指针指向的表项，执行以下操作：
比较$(ADDR)是否在该段内，即“段起始地址<＝$(ADDR)且段起始地址+段长度>$(ADDR)”，如果表达式成立，则返回“段在ELF文件中的偏移+$(ADDR)-段起始地址”，否则执行步骤(34)；
(34)段表指针移动到下一个段表项，回到步骤(33)。
进一步的，所述步骤(4)中的导入符号表为GOT表，在DSP中，寄存器B14总是指向GOT首地址。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于DSP的动态加载方法，在使用CCS编译器的前提下实现了模块动态加载，同时优化了程序中的函数调用跳转流程，既保证了程序的运行效率，又为程序的调试和维护提供了方便。该基于CCS编译器实现DSP动态加载的方法解决了B14切换问题；提高可重定位代码执行效率，用于CCS编译器以及GCC编译器所编译的可重定位代码。
附图说明
图1是现有技术的加载器执行完第一步后的模块结构示意图；
图2是现有技术的加载器执行完第二步后的模块结构示意图；
图3是现有技术的加载器执行完第三步后的模块结构示意图；
图4是本发明的DSP动态加载方法流程图；
图5是ELF文件预处理流程图；
图6是在汇编文件中查找符号地址的方法流程图；
图7是计算某个地址对应指令在ELF文件中的位置的方法流程图；
图8是本发明预处理后的模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
DSP C6X系列处理器使用B14保存每个模块的数据段起始地址，程序中所有对全局数据的访问都使用“B14+偏移”的方式寻址。各个可加载模块有各自的数据，因此当程序指令流在模块间切换时(如：函数跨模块调用时)，需保存和切换B14的值，否则会导致数据访问错误。
CCS编译器为能够被外部模块调用的大部分函数(没有使用static定义的函数)生成了保存和设置B14的指令。CCS编译器为提高代码执行效率，如果发现函数中没有使用全局变量或调用本原文件以外的函数，则不产生保存和设置B14的指令。CCS编译器认为调用本文件内部的函数不会使用B14，但是这里存在一个问题，当函数调用本文件内的其它非static函数时，并不是直接跳转到目标函数地址，而是使用了PLT跳转表，PLT跳转表(Procedure Linkage Table)是一段中间代码，其功能是跳转到目标函数，而这段中间代码使用了B14，因此，在编译器优化掉B14设置指令时，执行PLT中间代码会存在问题。
可见，出现问题的原因是中间代码使用了B14而编译器没有生产B14切换指令，如果不使用中间代码而直接跳转到目标函数则不会产生该问题。经研究分析，对于本模块内的目标函数，因为其与调用指令的相对偏移是固定的，所以完全可以使用相对跳转指令调用目标函数。而对于目标函数不在本模块内的情况，由于目标函数地址不确定，需要使用PLT配合GOT(Global Offset Table)实现函数的重定位，而此种条件下，编译器肯定不会优化掉B14的切换代码。
基于以上原理，本发明扫描目标文件中的跳转指令，如果发现跳转目标在本模块内，则使用相对跳转直接跳转到目标地址，否则不修改。不但解决了前面所述问题，而且减少了大量中间代码以及多余的跳转，提高了代码执行效率。这种提高代码执行效率的方法不但可用于CCS编译的DSP程序，也适用于GCC编译的ARM、X86、MIPS、PPC等其它体系结构的程序。
现有技术中加载器工作的通用方法为：
(1)ELF(Executable and Linking Format)文件读取与解析
ELE文件是可执行程序的特有文件格式，里面包含了所有文件执行所需要的相关信息，加载的第一步就是读取和解析文件，建立ELF模块结构。
(2)符号导出
一个ELF模块可能需要导出一些符号(如，一个函数)，给其它模块使用。加载过程需为每个ELF模块建立一个符号表，该符号表保存所有从符号名到符号地址的映射关系。当其它模块需要使用本模块导出符号时，首先查找符号表，获取符号地址。
(3)符号重定位
一个ELF模块可能需要用到其它ELF模块的符号(如：调用其它模块的函数)。加载器为每个ELF模块建立一个导入符号表，针对每个外部符号，通过第2部所属方法查找到符号地址，并填写到本模块的导入符号表(这个导入符号表就是GOT表(Globaloffsettable)，在DSP中，寄存器B14总是之上GOT首地址)。
(4)运行模块
调用ELF格式中记录的初始化函数和模块入口函数。
实施例：有modA和modB两个程序，分别编译出ELF文件。modA实现并导出了函数funA，并调用了modB的funB函数。modB实现并导出了funB和funC函数，funB调用了funC函数。
加载器执行完上述步骤(1)后，模块结构如图1所示。
由于编译器编译modA时并不知道funB的地址，所以funA中的CALL funB指令留空。
执行完步骤(2)后，模块结构如图2所示。
执行完步骤(3)后，模块结构如图3所示。
加载器将CALL funB修改为CALL GOTA+0，而在GOTA+0的数组位置填入jump funB，跳转到加载器查找到的funB地址。
编译器为了简化流程，针对所有的函数调用都通过GOT表进行，也就是说funB对funC的调用虽然是模块内部调用，但是也通过GOT表进行。
步骤(4)即为简单的查找地址和调用。
本发明的方法采用DSP进行加载，而DSP使用寄存器B14保存GOT首地址，当程序在不同模块间切换时需要切换B14的值，切换B14的代码由编译器自动添加到模块所有导出函数头和尾。同样以上面的例子说明：
funB在编译后的伪代码为：
加载后的伪代码为：
以上伪代码理论上没问题，但是TI cl6x编译器在实现时存在一个bug，当它检测到funC为本模块内部函数是，没有切换B14，实际的代码为：
此时B14没有被设置为GOTB，函数调用出现问题。
另外前面所述“编译器为了简化流程，针对所有的函数调用都通过GOT表进行，也就是说funB对funC的调用虽然是模块内部调用，但是也通过GOT表进行”会导致代码执行效率变低，因此每次内部函数的调用都经过了GOT表二次跳转。
本发明方法修正了这个问题，在编译完成后，ELF文件加载前，对ELF进行了处理，将所有目标符号为模块内部函数的CALL指令直接设置为跳转到目标地址，无须经过GOT表，也不再依赖B14。如图4所示，本发明的基于DSP的动态加载方法，包括以下步骤：
(1)ELF文件预处理，如图5所示，包括以下步骤：
(11)调用cl6x-dis-all命令反汇编ELF文件，生成汇编文件；
(12)定位到汇编文件头；
(13)从汇编文件读取一行，判断是否文件结束，若文件结束，则处理结束；否则执行步骤(14)；
(14)判断其是否为跳转指令
匹配正则表达式$(ADDR)CALL PLT_$(FUNC_NAME)，如果匹配成功，则说明是跳转指令，执行步骤(15)；否则返回到步骤(13)；
(15)查找目标符号位置
在本汇编文件中查找步骤(14)所匹配到的FUNC_NAME字段对应的符号地址,查找符号地址的方法参考流程1；
(16)判断目标符号是否在本模块内
如果在本模块内没有找到目标符号，则回到步骤(13)，否则，执行步骤(17)；
(17)判断目标地址是否超出相对跳转范围
将符号地址减去步骤(14)匹配到的$(ADDR)，得到相对跳转偏移，如果偏移超过CALL指令相对跳转的最大值(正负1MB)，则返回第(13)步；否则执行步骤(18)；
(18)计算地址对应的ELF文件位置
计算出$(ADDR)地址对应指令在ELF文件中的位置，具体计算方法参考流程2；然后执行步骤(19)；
(19)修改地址对应ELF指令
根据偏移生成新的“CALL+偏移”指令，修改步骤(18)计算得到ELF文件位置，更新其内容为新生成的“CALL+偏移”指令。
流程1：在汇编文件中查找符号地址
输入为符号名$(FUNC_NAME)，返回符号地址。如图6所示，包括以下步骤：
(21)定位到文件头；
(22)从汇编文件读取一行；
(23)判断是否文件结束
如果文件结束，则返回0，表示未找到符号地址；否则执行步骤(24)；
(24)匹配正则表达式“$(ADDR)$(NAME)：”，匹配成功则执行步骤(25)；否则回到步骤(22)；
(25)如果$(NAME)与传入的$(FUNC_NAME)相等，则返回$(ADDR)所代表的地址；否则回到步骤(22)。
流程2：计算出某个地址对应指令在ELF文件中的位置
输入为指令地址$(ADDR)，返回ELF文件偏移。如图7所示，包括以下步骤：
(31)读取ELF头，分析ELF段表，每个段由“段起始地址”，“段长度”，“段在ELF文件中的偏移”组成；
(32)处理指针定位到段表头；
(33)针对处理指针指向的表项，执行以下操作：
比较$(ADDR)是否在该段内，即“段起始地址<＝$(ADDR)且段起始地址+段长度>$(ADDR)”，如果表达式成立，则返回“段在ELF文件中的偏移+$(ADDR)-段起始地址”，否则执行步骤(34)；
(34)段表指针移动到下一个段表项，回到步骤(33)。
(2)ELF文件读取与解析
ELE文件是可执行程序的特有文件格式，里面包含了所有文件执行所需要的相关信息，加载的第一步就是读取和解析文件，建立ELF模块结构。
(3)符号导出
一个ELF模块可能需要导出一些符号(如，一个函数)，给其它模块使用。加载过程需为每个ELF模块建立一个符号表，该符号表保存所有从符号名到符号地址的映射关系。当其它模块需要使用本模块导出符号时，首先查找符号表，获取符号地址。
(4)符号重定位
一个ELF模块可能需要用到其它ELF模块的符号(如：调用其它模块的函数)。加载器为每个ELF模块建立一个导入符号表，针对每个外部符号，通过步骤(2)所述方法查找到符号地址，并填写到本模块的导入符号表(这个导入符号表就是GOT表(Globaloffsettable)，在DSP中，寄存器B14总是指向GOT首地址)。
(5)运行模块
调用ELF格式中记录的初始化函数和模块入口函数。
经过本发明预处理过的ELF文件funB的代码为：
经过本发明预处理后的模块结构如图8所示，由图8可知经过处理后的funB不再依赖GOT，不需要重定位，加载后的伪代码保持不变。如此既解决了B14切换的编译器bug，也提高了程序加载和执行的效率。

Claims (5)

1.一种基于DSP的动态加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)ELF文件预处理；
(2)ELF文件读取与解析
ELE文件是可执行程序的特有文件格式，里面包含了所有文件执行所需要的相关信息，加载的第一步就是读取和解析文件，建立ELF模块结构；
(3)符号导出
一个ELF模块需要导出一些符号，给其它模块使用，加载过程需为每个ELF模块建立一个符号表；
(4)符号重定位
一个ELF模块需要用到其它ELF模块的符号，加载器为每个ELF模块建立一个导入符号表，针对每个外部符号，通过步骤(2)所属方法查找到符号地址，并填写到本模块的导入符号表；
(5)运行模块
调用ELF格式中记录的初始化函数和模块入口函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的动态加载方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)反汇编ELF文件，生成汇编文件；
(12)定位到汇编文件头；
(13)从汇编文件读取一行，判断是否文件结束，若文件结束，则处理结束；否则执行步骤(14)；
(14)判断其是否为跳转指令
匹配正则表达式$(ADDR)CALL PLT_$(FUNC_NAME)，如果匹配成功，则说明是跳转指令，执行步骤(15)；否则返回到步骤(13)；
(15)查找目标符号位置
在本汇编文件中查找步骤(14)所匹配到的FUNC_NAME字段对应的符号地址；
(16)判断目标符号是否在本模块内
如果目标符号在本模块内没有找到，则回到步骤(13)；否则，执行步骤(17)；
(17)判断目标地址是否超出相对跳转范围
将符号地址减去步骤(14)匹配到的$(ADDR)，得到相对跳转偏移，如果偏移超过CALL指令相对跳转的最大值，则返回步骤(13)；否则执行步骤(18)；
(18)计算地址对应的ELF文件位置
计算出$(ADDR)地址对应指令在ELF文件中的位置，执行步骤(19)；
(19)修改地址对应ELF指令
根据偏移生成新的“CALL+偏移”指令，修改步骤(18)计算得到的ELF文件位置，更新其内容为新生成的“CALL+偏移”指令。
3.根据权利要求2所述的一种基于DSP的动态加载方法，其特征在于，所述步骤(15)中查找符号地址的方法包括以下步骤：
(21)定位到汇编文件头；
(22)从汇编文件读取一行；
(23)判断是否文件结束
如果文件结束，则返回0，表示未找到符号地址；否则执行步骤(24)；
(24)匹配正则表达式“$(ADDR)$(NAME)：”，匹配成功则执行步骤(25)；否则回到步骤(22)；
(25)如果$(NAME)与传入的$(FUNC_NAME)相等，则返回$(ADDR)所代表的地址；否则回到步骤(22)。
4.根据权利要求2所述的一种基于DSP的动态加载方法，其特征在于，所述步骤(18)中计算$(ADDR)地址对应指令在ELF文件中的位置的方法，包括以下步骤：
(31)读取ELF头，分析ELF段表，每个段由“段起始地址”，“段长度”，“段在ELF文件中的偏移”组成；
(32)处理指针定位到段表头；
(33)针对处理指针指向的表项，执行以下操作：
比较$(ADDR)是否在该段内，即“段起始地址<＝$(ADDR)且段起始地址+段长度>$(ADDR)”，如果表达式成立，则返回“段在ELF文件中的偏移+$(ADDR)-段起始地址”，否则执行步骤(34)；
(34)段表指针移动到下一个段表项，回到步骤(33)。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的动态加载方法，其特征在于，所述步骤(4)中的导入符号表为GOT表，在DSP中，寄存器B14总是指向GOT首地址。
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