COFF文件分析提取器的實現(xiàn)及其應(yīng)用

摘 要：在基于TI DSP的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，升級文件提取方法的效率和易用性對于DSP升級來說特別重要，傳統(tǒng)的提取方法耗時且容易出錯，為此迫切需要一種快速且可靠的方法。由于DSP編譯器最終輸出的可執(zhí)行代碼是一種COFF格式的文件，具有結(jié)構(gòu)化、分層次的特點，可以剔除其中與最終下載代碼無關(guān)的大量冗余信息。為此提出一種基于可執(zhí)行文件本身結(jié)構(gòu)特點的方法，只提取出與下載相關(guān)的數(shù)據(jù)。實踐證明這種方法高效、可靠、靈活易用。此提取器摒棄傳統(tǒng)方法的缺陷，為DSP在研發(fā)生產(chǎn)中的快速自動升級提供了可靠保證。
關(guān)鍵詞：COFF；段；DSP；冗余信息

    在基于DSP的嵌入式系統(tǒng)中，軟件更新通常需要借助仿真器將最新的可執(zhí)行程序下載到目標板上，然后提取出可執(zhí)行二進制程序并寫入非易失存儲器中。或者離線進行二進制文件的提取，然后再由DSP自己或主機芯片完成文件的燒結(jié)。在此，有必要簡單介紹一下TI DSP可執(zhí)行程序(目標文件)的結(jié)構(gòu)。TI代碼產(chǎn)生工具CCS在經(jīng)過編譯、鏈接之后，產(chǎn)生的目標文件是一種模塊化的文件格式——COFF格式。程序中的代碼和數(shù)據(jù)在COFF文件中是以段的形式組織。在此基礎(chǔ)上，再來討論上面兩種方法的弊端。前者只要程序有變化，就會造成新生成目標文件各段的大小和運行地址的變化，其系統(tǒng)引導(dǎo)程序也需要作相應(yīng)的改動。如果需要對大量的DSP系統(tǒng)進行軟件更新或經(jīng)常需要軟件更新的情況下，這種方法的效率非常低下，缺乏靈活性。后者的通常做法是先用工具軟件hex6x先將編譯器生成的目標文件轉(zhuǎn)換成多個TI格式的．hex文件，再逐一分析．hex文件，手工去掉其中的一些標志信息，并根據(jù)需要對文件進行必要的分割合并，最后調(diào)用TI提供的工具軟件hexbin將各個．hex文件轉(zhuǎn)換成二進制文件，生成文件的數(shù)目隨應(yīng)用而變化。這種方法因為涉及到手工操作費時費力不說且很容易出錯。同樣也存在著靈活性差的弊端，遇到有大量增減以及配置文件有修改的時候就會導(dǎo)致生成文件數(shù)目的增減，需要修改DSP或主機boot程序以適應(yīng)這種改變。通過對目標文件結(jié)構(gòu)的分析，可以直接提取可供下載的二進制文件。

l 目標文件結(jié)構(gòu)分析
    DSP的源程序——C代碼或匯編代碼在編譯后生成的COFF文件包含多個段，默認的情況下，COFF文件包含3個段：．text：通常包含可執(zhí)行代碼；．data：通常包含已初始化的數(shù)據(jù)；．bss：通常為未初始化的數(shù)據(jù)保留空間。
    當(dāng)然匯編器和鏈接器允許自己建立和鏈接自定義的塊，這些塊與以上的3個段類似。所有的段分為兩大類：已初始化段和未初始化段。這兩類段的最大區(qū)別就在于是否出現(xiàn)在加載文件中。
    下面來分析COFF文件的結(jié)構(gòu)，COFF文件從上到下中依次是文件頭、可選的文件頭、段頭信息表、段頭信息表對應(yīng)的段數(shù)據(jù)、重定位信息、行號入口表、符號表、字符串表，如圖1所示。其中第3～6項包含多個數(shù)據(jù)區(qū)，前4項與加載文件密切相關(guān)。

    由于前4項與加載文件相關(guān)，下面對這4項逐一分析一下：
    (1)文件頭：顧名思義，就是COFF文件的頭，用來保存COFF文件的基本信息，如段數(shù)目、時間戳、符號表位置等。從文件的0偏移處開始，用C的結(jié)構(gòu)描述如下：

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    文件頭中的標記包含了諸如大小端模式、COFF是否為可執(zhí)行文件等信息，具體解釋見參考文獻。
    (2)可選頭：可選頭接在文件頭的后面，也就是從COFF文件的Ox0014偏移處開始。長度可以為O。不同平臺的可選頭，長度和結(jié)構(gòu)都不相同，TI DSP采用的可選頭長度為28 B，用C的結(jié)構(gòu)描述如下：

   
    (3)段頭：段頭緊跟在可選文件頭的后面(如果可選文件頭的長度為0，它緊跟在文件頭后)，一般COFF包含多個段頭，數(shù)目就是文件頭中的usSection—Counter。它的長度為48 B，用C的結(jié)構(gòu)描述如下：

   
    段頭可以說是最重要的頭，文件分析提取器的核心就是用它來描述它的。一個COFF文件可以不要其它的節(jié)，但文件頭和段頭這兩節(jié)是必不可少的。有必要詳述一下它的成員：
    cName用來保存段名，常用的段名有．text，．da—ta，．bss等。對于用戶自定義長度超過8 B的段名，則為指向符號表的指針。
    uiVirtAddr是段數(shù)據(jù)載入或連接時的虛擬地址。對于可執(zhí)行文件，這個地址是相對于它的地址空間而言。當(dāng)可執(zhí)行文件被載入內(nèi)存時，這個地址就是段中數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的位置。大多數(shù)情況下與uiPhyAddr相同。
    uiSecSize是段中數(shù)據(jù)的實際長度，在讀取段數(shù)據(jù)時就由它來確定要讀多少字節(jié)。
    uiSecPointer是段數(shù)據(jù)在COFF文件中的偏移量，以絕對地址標識。
    uiRelPointer是該段重定位信息的絕對地址，它指向了重定位表的1個記錄。
    uiLNOffset是該段行號表的絕對地址，它指向的是行號表中的1個記錄。
    uiRelSize是重定位信息的記錄數(shù)，從uiRelPointer指向的記錄開始，到第ulNumRel個記錄為止，都是該段的重定位信息。
    uiLNSize和uiRelSize相似，不過它是行號信息的記錄數(shù)。
    uiFlags是該段的屬性標識，與下載相關(guān)的標識如表1所示。[!--empirenews.page--]

    其余定義請見參考文獻。
    (4)段數(shù)據(jù)：保存各個段的數(shù)據(jù)，在目標文件中這些數(shù)據(jù)都以原始數(shù)據(jù)(Raw Data)形式存在，只有需要下載的數(shù)據(jù)段才存在該區(qū)域。

2 COFF文件分析提取器的工作流程
    首先讀入目標文件，該文件擴展名為out，以二進制形式讀入。分析．out文件的文件頭以確定有多少個段，然后逐段分析段信息頭，根據(jù)段屬性標識以確定是否需要下載，段頭中的絕對地址、段數(shù)據(jù)長度等信息作為升級文件的一部分。與需下載的段數(shù)據(jù)合并成最終的下載文件，為了適應(yīng)自動化升級的需要，下載文件頭部還保留了COFF文件的時戳。值得注意的是因為TMS320C6000 DSP為32位處理器，需要對段落頭中段數(shù)據(jù)長度信息進行32位整型對齊，在此采用Ceil對齊——不足的字節(jié)以O(shè)補齊。具體流程如圖2所示。

    而COFF文件中的重定位信息、行號入口表、符號表、字符串表等數(shù)據(jù)區(qū)，對于下載文件的制作沒有直接聯(lián)系，可以不做分析。當(dāng)然，如果在PC上制作可視化工具的話，另當(dāng)別論，限于篇幅在此不做討論。

3 COFF文件分析提取器的應(yīng)用
    開發(fā)的DSP應(yīng)用系統(tǒng)一般采用HOST—SLAVE模式，即DSP是作為系統(tǒng)的信號處理協(xié)處理單元，HOST保存有所有處理器的下載文件。COFF文件分析提取器在做離線使用時，提取出的下載文件由H0ST負責(zé)保存、上電加載。HOST的引導(dǎo)程序在上電時讀取已經(jīng)構(gòu)建好的二進制文件，根據(jù)段數(shù)目、每段大小以及目標數(shù)據(jù)的下載地址等相關(guān)信息即可完成對目標代碼的自動下載。COFF文件分析提取器在線使用時，時間戳就作為版本是否更新的依據(jù)，HOST一旦偵測到版本服務(wù)器有新版本的COFF文件并得到用戶升級確認后，就可啟動文件提取器。
    目前，這種利用COFF文件分析提取器生成DSP下載文件的方式，已經(jīng)在中興通訊多個產(chǎn)品線廣泛應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品的可測試性和易維護性。

4 結(jié) 語
    在此討論的方法基于對COFF文件結(jié)構(gòu)的分析，讀取DSP編譯器生成的．out文件，根據(jù)文件本身攜帶的信息，直接提取生成可供下載的二進制文件。最終生成的二進制文件中包含有與．out文件相同的信息，在下載時利用這些信息即可完成對DSP芯片的加載。