ARM系列之RO、RW、ZI的分布及说明

            要了解RO，RW和ZI需要首先了解以下知识：
ARM程序的组成
            此处所说的“ARM程序”是指在ARM系统中正在执行的程序，而非保存在ROM中的bin映像（image）文件，这一点清注意区别。
            一个ARM程序包含3部分：RO，RW和ZI。RO是程序中的指令和常量；RW是程序中的已初始化变量;ZI是程序中的未初始化的变量.
            由以上3点说明可以理解为：RO就是readonly，RW就是read/write，ZI就是zero

 ARM映像文件的组成
            所谓ARM映像文件就是指烧录到ROM中的bin文件，也称为image文件。以下用Image文件来称呼它。
            Image文件包含了RO和RW数据。之所以Image文件不包含ZI数据，是因为ZI数据都是0，没必要包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可。包含进去反而浪费存储空间。
            Q：为什么Image中必须包含RO和RW？
            A：因为RO中的指令和常量以及RW中初始化过的变量是不能像ZI那样“无中生有”的。

ARM程序的执行过程
            从以上两点可以知道，烧录到ROM中的image文件与实际运行时的ARM程序之间并不是完全一样的。因此就有必要了解ARM程序是如何从ROM中的image到达实际运行状态的。
            实际上，RO中的指令至少应该有这样的功能：
            1. 将RW从ROM中搬到RAM中，因为RW是变量，变量不能存在ROM中。
            2. 将ZI所在的RAM区域全部清零，因为ZI区域并不在Image中，所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量，同理：变量不能存在ROM中
            在程序运行的最初阶段，RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。

            说了上面的可能还是有些迷糊，RO，RW和ZI到底是什么，下面我将给出几个例子，最直观的来说明RO，RW，ZI在C中是什么意思。
1、RO
            看下面两段程序，他们之间差了一条语句，这条语句就是声明一个字符常量。因此按照我们之前说的，他们之间应该只会在RO数据中相差一个字节（字符常量为1字节）。
            Prog1：
            #include
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog2：
            #include
            const char a = 5；
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog1编译出来后的信息如下：
            =================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 60 0 96 0 Grand Totals
            =================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
            =================================================
            Prog2编译出来后的信息如下：
            =================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 61 0 96 0 Grand Totals
            =================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1009 ( 0.99kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
            =================================================
            以上两个程序编译出来后的信息可以看出：
            Prog1和Prog2的RO包含了Code和RO Data两类数据。他们的唯一区别就是Prog2的RO Data比Prog1多了1个字节。这正和之前的推测一致。
            如果增加的是一条指令而不是一个常量，则结果应该是Code数据大小有差别。

2、RW
            同样再看两个程序，他们之间只相差一个“已初始化的变量”，按照之前所讲的，已初始化的变量应该是算在RW中的，所以两个程序之间应该是RW大小有区别。
            Prog3：
            #include
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog4：
            #include
            char a = 5；
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog3编译出来后的信息如下：
            ==================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 60 0 96 0 Grand Totals
            ==================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
            ==================================================
            Prog4编译出来后的信息如下： 

    ==================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 60 1 96 0 Grand Totals
            ==================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
            ==================================================
            可以看出Prog3和Prog4之间确实只有RW Data之间相差了1个字节，这个字节正是被初始化过的一个字符型变量“a”所引起的。

3、ZI
            再看两个程序，他们之间的差别是一个未初始化的变量“a”，从之前的了解中，应该可以推测，这两个程序之间应该只有ZI大小有差别。
            Prog3：
            #include
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog4：
            #include
            char a；
            void main(void)
            {
            ;
            }
            Prog3编译出来后的信息如下：
            ====================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 60 0 96 0 Grand Totals
            ====================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
            ====================================================
            Prog4编译出来后的信息如下：
            ====================================================
            Code RO Data RW Data ZI Data Debug
            948 60 0 97 0 Grand Totals
            ====================================================
            Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
            Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
            Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
            ====================================================
            编译的结果完全符合推测，只有ZI数据相差了1个字节。这个字节正是未初始化的一个字符型变量“a”所引起的。
            注意：如果一个变量被初始化为0，则该变量的处理方法与未初始化华变量一样放在ZI区域。
            即：ARM C程序中，所有的未初始化变量都会被自动初始化为0。

总结：
            1、 C中的指令以及常量被编译后是RO类型数据。
            2、 C中的未被初始化或初始化为0的变量编译后是ZI类型数据。
            3、 C中的已被初始化成非0值的变量编译后市RW类型数据。
            附：
            程序的编译命令（假定C程序名为tst.c）：
            armcc -c -o tst.o tst.c
            armlink -noremove -elf -nodebug -info totals -info sizes -map -list aa.map -o tst.elf tst.o
            编译后的信息就在aa.map文件中。
            ROM主要指：NAND Flash，Nor Flash
            RAM主要指：PSRAM，SDRAM，SRAM，DDRAM

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Image$$??$$Limit 的含义

对于刚学习ARM的人来说，如果分析它的启动代码，往往不明白下面几个变量的含义：|Image$$RO$$Limit|、|Image$$RW$$Base|、|Image$$ZI$$Base|。

使用的调试软件为ADS1.2，当我们把程序编写好以后，就要进行编译和链接了，在ADS1.2中选择MAKE按钮，会出现一个Errors and Warnings 的对话框，在该栏中显示编译和链接的结果，如果没有错误，在文件的最后应该能看到Image component sizes，后面紧跟的依次是Code，RO Data ，RW Data ，ZI Data ，Debug 各个项目的字节数，最后会有他们的一个统计数据：

Code 163632 ，RO Data 20939 ，RW Data 53 ，ZI Data 17028
Tatal RO size (Code+ RO Data)             184571 (180.25kB)
Tatal RW size(RW Data+ ZI Data)           17081(16.68 kB)
Tatal ROM size(Code+ RO Data+ RW Data)   184624(180.30 kB)

后面的字节数是根据用户不同的程序而来的，下面就以上面的数据为例来介绍那几个变量的计算。

在ADS的Debug Settings中有一栏是Linker/ARM Linker，在output选项中有一个RO base选项，下面应该有一个地址，我这里是0x0c100000，后面的RW base 地址是0x0c200000，然后在Options选项中有Image entry point ，是一个初始程序的入口地址，我这里是0x0c100000 。

有了上面这些信息我们就可以完全知道这几个变量是怎么来的了：
|Image$$RO$$Base| = Image entry point = 0x0c100000 ;表示程序代码存放的起始地址

|Image$$RO$$Limit|=程序代码起始地址+代码长度+1=0x0c100000+Tatal RO size+1
= 0x0c100000 + 184571 + 1 = 0x0c100000 +0x2D0FB + 1
= 0x0c12d0fc

|Image$$RW$$Base| = 0x0c200000 ;由RW base 地址指定

|Image$$RW$$Limit| =|Image$$RW$$Base|+ RW Data 53 = 0x0c200000+0x37（4的倍数,0到55，共56个单元）=0x0c200037

|Image$$ZI$$Base| = |Image$$RW$$Limit| + 1 =0x0c200038

|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$ZI$$Base| + ZI Data 17028
                            =0x0c200038 + 0x4284
                            =0x0c2042bc

也可以由此计算：
|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$RW$$Base| +TatalRWsize(RWData+ZIData) 17081
                            =0x0c200000+0x42b9+3（要满足4的倍数）
                            =0x0c2042bc

加点自己的补充：

RO 是code + RO Data ，RO data应该是const声明的常量

下载到固件中的代码包括RO和RW，ZI主要被malloc 函数用到，还有这些概念和堆栈的联系，malloc声明的变量在heap（堆）中，stack（栈）是用来存放临时变量的。

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一般而言，一个程序包括只读的代码段和可读写的数据段。在ARM的集成开发环境中，只读的代码段和常量被称作RO段(ReadOnly)；可读写的全局变量和静态变量被称作RW段(ReadWrite)；RW段中要被初始化为零的变量被称为ZI段(ZeroInit)。对于嵌入式系统而言，程序映象都是存储在Flash存储器等一些非易失性器件中的，而在运行时，程序中的RW段必须重新装载到可读写的RAM中。这就涉及到程序的加载时域和运行时域。简单来说，程序的加载时域就是指程序烧入Flash中的状态，运行时域是指程序执行时的状态。对于比较简单的情况，可以在ADS集成开发环境的ARM LINKER选项中指定RO BASE和RW BASE，告知连接器RO和RW的连接基地址。对于复杂情况，如RO段被分成几部分并映射到存储空间的多个地方时，需要创建一个称为“分布装载描述文件”的文本文件，通知连接器把程序的某一部分连接在存储器的某个地址空间。需要指出的是，分布装载描述文件中的定义要按照系统重定向后的存储器分布情况进行。在引导程序完成初始化的任务后，应该把主程序转移到RAM中去运行，以加快系统的运行速度。

            什么是arm的映像文件，arm映像文件其实就是可执行文件，包括bin或hex两种格式，可以直接烧到rom里执行。在axd调试过程中，我们调试的是axf文件，其实这也是一种映像文件，它只是在bin文件中加了一个文件头和一些调试信息。映像文件一般由域组成，域最多由三个输出段组成(RO,RW,ZI)组成，输出段又由输入段组成。所谓域，指的就是整个bin映像文件所处在的区域，它又分为加载域和运行域。加载域就是映像文件被静态存放的工作区域，一般来说flash里的 整个bin文件所在的地址空间就是加载域，当然在程序一般都不会放在 flash里执行，一般都会搬到sdram里运行工作，它们在被搬到sdram里工作所处的地址空间就是运行域。

我们输入的代码，一般有代码部分和数据部分，这就是所谓的输入段，经过编译后就变成了bin文件中ro段和rw段，还有所谓的zi段，这就是输出段。对于加载域中的输出段，一般来说ro段后面紧跟着rw段，rw段后面紧跟着zi段。在运行域中这些输出段并不连续，但rw和zi一定是连着的。zi段和rw段中的数据其实可以是rw属性。 

                | Image$$RO$$Base| |Image$$RO$$Limit| |Image$$RW$$Base| |Image$$ZI$$Base| |Image$$ZI$$Limit|这几个变量是编译器通知的，我们在 makefile文件中可以看到它们的值。它们指示了在运行域中各个输出段所处的地址空间。| Image$$RO$$Base| 就是ro段在运行域中的起始地址，|Image$$RO$$Limit| 是ro段在运行域中的截止地址。其它依次类推。我们可以在linker的output中指定，在 simple模式中，ro base对应的就是| Image$$RO$$Base|，rw base 对应的是|Image$$RW$$Base|，由于rw和zi相连，|Image$$ZI$$Base| 就等于|Image$$ZI$$limit| .其它的值都是编译器自动计算出来的。

            下面是2410启动代码的搬运部分，我给出注释
            BaseOfROM DCD |Image$$RO$$Base|
            TopOfROM DCD |Image$$RO$$Limit|
            BaseOfBSS DCD |Image$$RW$$Base|
            BaseOfZero DCD |Image$$ZI$$Base|
            EndOfBSS DCD |Image$$ZI$$Limit|
            adr r0, ResetEntry;    ResetEntry是复位运行时域的起始地址，在boot nand中一般是0
            ldr r2, BaseOfROM;
            cmp r0, r2
            ldreq r0, TopOfROM;TopOfROM=0x30001de0，代码段地址的结束
            beq InitRam 
            ldr r3, TopOfROM
            ；part 1，通过比较，将ro搬到sdram里，搬到的目的地址从 | Image$$RO$$Base| 开始，到|Image$$RO$$Limit|结束
            
            0 
            ldmia r0!, {r4-r7}
            stmia r2!, {r4-r7}
            cmp r2, r3
            bcc %B0;
            
            ；part 2，搬rw段到sdram，目的地址从|Image$$RW$$Base| 开始，到|Image$$ZI$$Base|结束
            sub r2, r2, r3;r2=0
            sub r0, r0, r2    
            InitRam ;carry rw to baseofBSS
            ldr r2, BaseOfBSS ;TopOfROM=0x30001de0,baseofrw
            ldr r3, BaseOfZero ;BaseOfZero=0x30001de0
            0
            cmp r2, r3
            ldrcc r1, [r0], #4
            strcc r1, [r2], #4
            bcc %B0 
            ；part 3，将sdram zi初始化为0，地址从|Image$$ZI$$Base|到|Image$$ZI$$Limit|
            mov r0, #0;init 0
            ldr r3, EndOfBSS;EndOfBSS=30001e40
            1 
            cmp r2, r3
            strcc r0, [r2], #4
            bcc %B1

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一 概述

Scatter file (分散加载描述文件)用于armlink的输入参数，他指定映像文件内部各区域的download与运行时位置。Armlink将会根据scatter file生成一些区域相关的符号，他们是全局的供用户建立运行时环境时使用。（注意：当使用了scatter file 时将不会生成以下符号 Image$$RW$$Base, Image$$RW$$Limit, Image$$RO$$Base, Image$$RO$$Limit, Image$$ZI$$Base, and Image$$ZI$$Limit）

二 什么时候使用scatter file

       当然首要的条件是你在利用ADS进行项目开发，下面我们看看更具体的一些情况。
1 存在复杂的地址映射：例如代码和数据需要分开放在在多个区域。
2 存在多种存储器类型：例如包含 Flash,ROM,SDRAM,快速SRAM。我们根据代码与数据的特性把他们放在不同的存储器中，比如中断处理部分放在快速SRAM内部来提高响应速度，而把不常用到的代码放到速度比较慢的Flash内。
3 函数的地址固定定位：可以利用Scatter file实现把某个函数放在固定地址，而不管其应用程序是否已经改变或重新编译。
4 利用符号确定堆与堆栈：
5 内存映射的IO：采用scatter file可以实现把某个数据段放在精确的地指处。
因此对于嵌入式系统来说scatter file是必不可少的，因为嵌入式系统采用了ROM，RAM，和内存映射的IO。