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22.ElfLoader_Quick_Start.md

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TencentOS tiny elfLoader组件

1. 什么是elfLoader

elfLoader是TencentOS tiny提供的对elf格式文件进行加载并执行的组件，TencentOS tiny目前的elfLoader组件，提供目标文件（object）及共享目标文件（shared object）的动态加载支持。

2. elfLoader组件的基本使用范式

对于elfLoader来说，使用的基本范式流程为：

  • 将源代码编译成object或shared-object文件。
  • 将object或shared-object文件拷贝到开发板可以访问的文件系统中。
  • 调用elfLoader组件提供的tos_elfloader_load接口加载文件系统中的object或shared-object文件。
  • 调用elfLoader组件提供的tos_elfloader_find_symbol查找已加载的模块中某个符号的加载地址（一般来说是一个函数），执行之。
  • 如果后续业务不再需要这个模块，执行tos_elfloader_unload将模块卸载。

3. elfLoader组件的具体使用实例（object）

3.1 编写一个模块的源码

 extern int d_e_a;

 int d_g_a = 3;

 static int d_s_a = 5;

 extern int f_e_a(int);

 static int f_s_a(void) {
     d_s_a += 7; // d_s_a = 12
 }

 int f_g_a(void) {
     f_s_a();

     d_g_a += d_s_a; // d_g_a = 15

     d_e_a += d_g_a; // + 15

     f_e_a(d_e_a);
 }

源码1.c如上，改模块中：

  • 引用了一个外部的符号d_e_a（变量，这是一个应该在模块外定义的符号）
  • 定义了一个全局符号d_g_a（变量）
  • 定义了一个模块内的静态符号d_s_a（变量）
  • 引用了一个外部的符号f_e_a（函数，这是一个应该在模块外定义的符号）
  • 定义了一个模块内的静态符号f_s_a（函数）
  • 定义了一个全局符号f_g_a（函数）

3.2 将模块编译成object文件

arm-linux-gnueabihf-gcc -fno-builtin -nostdlib -mthumb -mthumb-interwork -mcpu=cortex-m4 -c 1.c -o 1.o

我这里假设读者已经在本地安装好arm交叉编译器，且本实例是基于TencentOS tiny官方开发板（mcu是arm cortex-m4核心），按照以上编译选项将1.c编译为1.o

3.3 将模块拷贝至文件系统

将模块（1.o）拷贝至已进行FAT32格式化后的sd卡，将sd卡插入TencentOS tiny官方开发板上的sd卡槽。

3.4 运行示例工程

TencentOS-tiny\board\TencentOS_tiny_EVB_MX_Plus\KEIL\elfloader_relocatable_object

用keil打开以上路径中的示例工程：

  • 添加d_e_a及f_e_a实现

    因为1.o依赖此两个外部符号，因而需要在内核中定义这两个符号

int d_e_a = 9;

int f_e_a(int a)
{
    /* a = d_e_a + d_g_a = d_e_a + 15 = 24 */
    printf("f_e_a:  %d\n", a);
    return 0;
}
  • 添加系统符号表
const el_symbol_t el_symbols[] = {
    { "d_e_a", &d_e_a },
    { "f_e_a", f_e_a },
    { K_NULL, K_NULL },
};

按照以上格式，定义el_symbols符号表，符号表中包含1.o中依赖的两个外部符号地址。

  • 编写elfLoader使用案例代码
void application_entry(void *arg)
{
    int fd;
    el_module_t module;

    extern vfs_blkdev_ops_t sd_dev;
    extern vfs_fs_ops_t fatfs_ops;

    if (tos_vfs_block_device_register("/dev/sd", &sd_dev) != VFS_ERR_NONE) {
        return;
    }

    if (tos_vfs_fs_register("fatfs_sd", &fatfs_ops) != VFS_ERR_NONE) {
        return;
    }

    if (tos_vfs_fs_mount("/dev/sd", "/fs/fatfs_sd", "fatfs_sd") != VFS_ERR_NONE) {
        printf("mount failed!\n");
        return;
    }

    fd = tos_vfs_open("/fs/fatfs_sd/1.o", VFS_OFLAG_READ | VFS_OFLAG_EXISTING);
    if (fd < 0) {
        return;
    }

    if (tos_elfloader_load(&module, fd) != ELFLOADER_ERR_NONE) {
        return;
    }

    void *addr = tos_elfloader_find_symbol(&module, "f_g_a");
    if (!addr) {
        printf("symbol NOT FOUND: %s\n", "f_g_a");
        return;
    }

    printf("addr: %x\n", addr);

    typedef int (*fp_t)(void);
    /* call f_g_a in 1.o */
    ((fp_t)addr)();

    tos_elfloader_unload(&module);

    tos_vfs_close(fd);
}

以上代码：使用TencentOS tiny的vfs组件挂载sd卡上的FAT32文件系统，并打开文件系统上的1.o获取文件描述符fd，将fd作为tos_elfloader_load的入参，加载这个模块并获取模块的句柄module，使用tos_elfloader_find_symbol接口在module中查找f_g_a符号（函数）的加载地址，并执行之。

根据1.c中f_g_a的逻辑，最终会调用f_e_a将d_e_a最终的值打印出来，根据运算逻辑，d_e_a的最终值应该为24。

  • 调用tos_elfloader_unload卸载该模块，调用tos_vfs_close接口关闭文件描述符fd。

3.5 注意

对于一般的mcu来说，可执行代码位于FLASH上，而模块的可执行代码及数据皆被加载至RAM上。而一般来说FLASH和RAM之间的地址相隔甚远，这会导致加载object文件的重定位阶段，某些重定位类型无法顺利完成重定位操作，进而导致object文件加载失败。

4. elfLoader组件的具体使用实例（shared-object）

共享目标文件(shared-object)的装载及运行与object文件类似

4.1 编写一个模块的源码

参考3.1节

4.2 将模块编译成shared-object文件

arm-linux-gnueabihf-gcc -fno-builtin -nostdlib -mthumb -mthumb-interwork -fPIC -mcpu=cortex-m4 -c 1.c -o 1.o

arm-linux-gnueabihf-ld -fno-builtin -nostdlib -fPIC -shared -z max-page-size=0x4 1.o -o 1.so

我这里假设读者已经在本地安装好arm交叉编译器，且本实例是基于TencentOS tiny官方开发板（mcu是arm cortex-m4核心），按照以上编译选项将1.c编译为1.so

4.3 将模块拷贝至文件系统

参考3.3节

4.4 运行示例代码

TencentOS-tiny\board\TencentOS_tiny_EVB_MX_Plus\KEIL\elfloader_shared_object

用keil打开以上路径中的示例工程，工程中的具体代码与object工程类似，参考3.4节，不再赘述。

5. elfLoader组件的文件访问扩展

elfLoader的组件实现，对于模块文件的访问，是通过elfloader_fd_read接口来进行的：

__KNL__ __WEAK__ el_err_t elfloader_fd_read(int fd, uint32_t offset, void *buf, size_t len)
{
    if (tos_vfs_lseek(fd, (vfs_off_t)offset, VFS_SEEK_SET) < 0) {
        return ELFLOADER_ERR_FD_READ_FAILED;
    }

    if (tos_vfs_read(fd, buf, len) < 0) {
        return ELFLOADER_ERR_FD_READ_FAILED;
    }

    return ELFLOADER_ERR_NONE;
}

此接口接收四个参数：

  • fd

文件的描述符fd。此fd可以不用拘泥于文件系统的fd，fd只是一个文件的抽象。

  • offset

对文件的offset偏移处进行读取。

  • buf

文件读取的数据缓冲

  • len

文件读取的长度

elfloader_fd_read的实现位于tos_elfloader_fd_read-vfs.c中，默认实现是基于TencentOS tiny的vfs接口进行文件访问。

现在假设有这样的场景：用户在使用elfLoader时，不希望通过vfs框架来进行文件访问（用户的场景可能根本就没有文件系统，或者压根不希望通过文件系统来访问模块），比如用户将编译好的模块烧写进裸FLASH的固定偏移处，假设有这种场景：

uint32_t offset_of_modules[] = {
	0x8000 0000,
	0x8000 2000,
	0x8000 4000,
};

用户分别在FLASH的0x8000 0000、0x8000 2000、0x8000 4000偏移处烧写了三个shared-object文件，用户如何不通过文件系统框架来实现模块的加载运行呢？

业务代码中，希望通过fd为0时，加载0x8000 0000处的模块，通过fd为1时，加载0x8000 2000处的模块，通过fd为2时，加载0x8000 4000处的模块。代码如下：

void application_entry(void *arg)
{
    el_module_t module0, module1, module2;

    if (tos_elfloader_load(&module0, 0) != ELFLOADER_ERR_NONE) {
        return;
    }

    void *addr = tos_elfloader_find_symbol(&module0, "f_g_a");
    if (!addr) {
        printf("symbol NOT FOUND: %s\n", "f_g_a");
        return;
    }

    if (tos_elfloader_load(&module1, 1) != ELFLOADER_ERR_NONE) {
        return;
    }
    
    if (tos_elfloader_load(&module2, 2) != ELFLOADER_ERR_NONE) {
        return;
    }
    
    tos_elfloader_unload(&module0);
    tos_elfloader_unload(&module1);
    tos_elfloader_unload(&module2);
}

业务代码里，并不需要依赖文件系统，fd本质上只是只是一种抽象，它可以与文件系统无关。

现在假设用户已经实现了FLASH的读驱动接口flash_read，要做到上述诉求，只需要重新实现elfloader_fd_read即可：

el_err_t elfloader_fd_read(int fd, uint32_t offset, void *buf, size_t len)
{
    uint32_t offset = offset_of_modules[fd];

	if (flash_read(offset, buf, len) < 0) {
		return ELFLOADER_ERR_FD_READ_FAILED;
	}

    return ELFLOADER_ERR_NONE;
}

可以看出来，TencentOS tiny的组件实现，依赖一定程度的抽象，但此抽象又并不与某个特定框架强耦合。对于elfLoader组件来说，用户即可以基于文件系统实现对模块的访问，经过少量的适配工作，也完全可以基于裸FLASH驱动来进行模块的访问。