郝玉濤 孫建祥 安占新

1.中國(guó)載人航天工程辦公室，北京 100071 2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

0 引言

2017年俄羅斯研制的 “聯(lián)盟-2.1B”火箭在東方港基地發(fā)射，由于飛行軟件使用的發(fā)射場(chǎng)坐標(biāo)參數(shù)是拜科努爾發(fā)射場(chǎng)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致火箭未能進(jìn)入預(yù)定軌道，墜落大西洋[1]。由此可見(jiàn)，飛行軟件正確與否關(guān)系到運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)的成敗，確保飛行軟件執(zhí)行程序的正確性是航天型號(hào)軟件設(shè)計(jì)人員致力解決的重要問(wèn)題之一。

目前，航天控制領(lǐng)域廣泛使用德州儀器公司(Texas Instruments,簡(jiǎn)稱TI) DSP(Digital Signal Processors)處理器進(jìn)行控制計(jì)算。軟件設(shè)計(jì)人員通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)或者CC(Code Composer)生成COFF(Common Object File Format，通用對(duì)象文件格式)格式的飛行軟件，再通過(guò)其配套的轉(zhuǎn)換工具，生成自舉表(Boot Table)格式的文件，固化在計(jì)算機(jī)的FLASH中。計(jì)算機(jī)上電后，通過(guò)自帶的bootloader引導(dǎo)程序，自動(dòng)加載自舉表格式的文件運(yùn)行[2]。自舉表格式的執(zhí)行程序能夠滿足運(yùn)載型號(hào)部分計(jì)算機(jī)上電自動(dòng)引導(dǎo)的需求，但不能滿足型號(hào)部分計(jì)算機(jī)需要通過(guò)二次引導(dǎo)程序[3-4]運(yùn)行的需求。自舉表格式的文件不僅包含DSP執(zhí)行程序，還帶有其它額外信息。二次引導(dǎo)的目標(biāo)文件(DSP執(zhí)行程序)不允許帶有這些額外信息。

為了滿足通過(guò)二次引導(dǎo)程序運(yùn)行的需求，需要生成二進(jìn)制格式的DSP執(zhí)行程序。以往，軟件設(shè)計(jì)人員主要采用2種人工提取方法：(1)通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境控制仿真器，將COFF格式的目標(biāo)文件下載到DSP處理器中，再按照MAP文件(用于表示程序、數(shù)據(jù)以及IO空間的映射)中的代碼段以及初始化數(shù)據(jù)段地址，提取相應(yīng)內(nèi)存中的執(zhí)行程序以及初始化數(shù)據(jù);(2)軟件設(shè)計(jì)人員人工分析COFF格式的文件，在文件中提取出代碼段以及初始化數(shù)據(jù)段。這兩種人工生成執(zhí)行程序的方法使用設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，操作繁瑣，易出錯(cuò)，可靠性低。

文獻(xiàn)[2]研究了DSP處理器引導(dǎo)功能的軟硬件配置設(shè)計(jì)以及引導(dǎo)控制程序；文獻(xiàn)[3]研究了基于二次引導(dǎo)程序的在線升級(jí)程序的方法；文獻(xiàn)[4]研究了多核DSP的加載方法和流程；文獻(xiàn)[5]研究了COFF文件向自舉表文件的轉(zhuǎn)換方法以及基于FLASH的自動(dòng)加載方法；文獻(xiàn)[6]研究了基于外部擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器的程序代碼自舉加載方法。目前針對(duì)二次引導(dǎo)的目標(biāo)文件如何可靠提取，沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行論述。本文提出了基于COFF和自舉表(Boot Table)格式文件的DSP執(zhí)行程序提取器設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，不僅解決了文獻(xiàn)[2-6]中二次引導(dǎo)的目標(biāo)文件自動(dòng)提取問(wèn)題，提高了生成效率和正確率，而且通過(guò)加殼技術(shù)[7]，在目標(biāo)文件中增加了DSP執(zhí)行程序的CRC校驗(yàn)信息，提高了飛行程序使用的可靠性。

本文研究了COFF文件、自舉表文件的格式，提出了基于上述兩種文件提取DSP執(zhí)行程序的算法，介紹了軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)、功能驗(yàn)證、性能評(píng)估以及在航天重大工程中的應(yīng)用情況。

1 COFF及自舉表文件簡(jiǎn)介

1.1 COFF文件

通用對(duì)象文件格式COFF是一種很流行的對(duì)象文件格式，是程序源代碼通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯、鏈接之后，最終產(chǎn)生的一種模塊化的文件格式。這種文件格式引入了“段”的機(jī)制，不同的目標(biāo)文件可以擁有不同數(shù)量以及不同類型的段，為軟件開(kāi)發(fā)人員提供了一組二進(jìn)制接口定義，這些接口可以延伸到多種操作環(huán)境，從而減少重新編碼、重新編譯程序的需要。

COFF文件包括文件頭、可選文件頭、段頭信息表、段數(shù)據(jù)、重定位信息、行號(hào)入口表、符號(hào)表、字符串表[5]。其中段頭信息表、段數(shù)據(jù)、重定位信息、行號(hào)入口表對(duì)應(yīng)多個(gè)段；文件頭、可選文件頭、段頭信息表、段數(shù)據(jù)與生成執(zhí)行程序密切相關(guān)。

文件頭用來(lái)保存COFF文件的基本信息，如段頭的數(shù)目、時(shí)間戳、符號(hào)表位置、屬性標(biāo)記等，共占用22字節(jié)，其中第2、3字節(jié)指明了段頭的數(shù)目。

可選頭在文件頭后面，從COFF文件的0x16偏移處開(kāi)始，長(zhǎng)度為28個(gè)字節(jié)，用來(lái)保存在文件頭中沒(méi)有描述到的信息，如執(zhí)行代碼的大小、初始化數(shù)據(jù)的大小、未初始化數(shù)據(jù)的大小、程序入口地址、執(zhí)行代碼的開(kāi)始地址、初始化數(shù)據(jù)的開(kāi)始地址等。

從第51字節(jié)開(kāi)始，為各段段頭信息表，用來(lái)描述段信息，每個(gè)段都有一個(gè)段頭信息表來(lái)描述，段的數(shù)目在文件頭中指出。每個(gè)段頭信息表共48個(gè)字節(jié)，內(nèi)容包括段名、段數(shù)據(jù)載入內(nèi)存時(shí)的物理地址、段數(shù)據(jù)載入內(nèi)存時(shí)的虛擬地址、段數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度、段數(shù)據(jù)在COFF文件中的偏移量、段屬性。第9～12字節(jié)為此段在內(nèi)存中的物理地址；第21～24字節(jié)為此段程序或者數(shù)據(jù)在COFF文件中的偏移地址；第41～44字節(jié)為段屬性。段屬性為0x00000020時(shí)，表示此段是執(zhí)行代碼段；為0x00000040時(shí)，表示此段是初始化數(shù)據(jù)段；為0x00000080時(shí)，表示此段是未初始化的數(shù)據(jù)段。

段數(shù)據(jù)用來(lái)保存各個(gè)段的數(shù)據(jù)，不同類型的段，其數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)也不相同。在目標(biāo)文件中，這些數(shù)據(jù)都是原始數(shù)據(jù)，無(wú)特別的格式。

1.2 自舉表文件

在DSP系統(tǒng)中通常使用FLASH存儲(chǔ)器保存程序，在上電或者復(fù)位時(shí)，BootLoader引導(dǎo)程序?qū)⒋鎯?chǔ)在FLASH中的程序搬移到DSP片內(nèi)或者片外RAM中，并跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口運(yùn)行，這個(gè)程序搬移過(guò)程叫自舉加載。用戶程序與一些必要的引導(dǎo)信息結(jié)合在一起，形成特定格式的自舉表，以便BootLoader引導(dǎo)程序在自舉加載過(guò)程中識(shí)別有效的用戶程序、搬移地址以及程序入口地址。

自舉表可以通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的工具生成，其過(guò)程為：(1)使用hex.exe工具，將集成開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的COFF格式文件轉(zhuǎn)換成為工具能夠識(shí)別的hex文件格式,轉(zhuǎn)換前需要配置好程序引導(dǎo)地址、程序入口地址；(2)使用hexbin.exe工具，將hex格式文件轉(zhuǎn)換為自舉表格式文件。

自舉表格式[6]文件包括內(nèi)存寬度、STRB控制寄存器數(shù)值、數(shù)據(jù)塊，其中數(shù)據(jù)塊可以有多個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包括數(shù)據(jù)塊的大小、數(shù)據(jù)塊加載的起始地址以及數(shù)據(jù)。文件最后一個(gè)字?jǐn)?shù)值為0，表示文件結(jié)束。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 COFF文件解析算法

COFF文件解析器首先以二進(jìn)制形式讀入擴(kuò)展名為.out的COFF文件，分析COFF文件頭，其第2、3字節(jié)指明了段的數(shù)目；根據(jù)段數(shù)目，逐段分析段頭信息表，獲取每段的屬性標(biāo)識(shí)，如果該段屬性為執(zhí)行代碼或者初始化數(shù)據(jù)，記錄執(zhí)行代碼段、初始化數(shù)據(jù)段內(nèi)存中的物理地址、COFF文件中的偏移地址以及大??；計(jì)算執(zhí)行程序(包含初始化數(shù)據(jù))文件大?。挥?jì)算執(zhí)行代碼段、初始化數(shù)據(jù)段在執(zhí)行程序文件中的位置，按照線性映射關(guān)系將此段數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)內(nèi)存中。COFF文件解析算法工作流程如圖1所示。

圖1 COFF文件解析算法工作流程

詳細(xì)過(guò)程如下：

1)采用WIN32提供的內(nèi)存映射文件機(jī)制[8]，根據(jù)可選頭中執(zhí)行代碼、初始化數(shù)據(jù)段的大小，在內(nèi)存中申請(qǐng)COFF文件相應(yīng)大小的地址空間區(qū)域，將COFF文件中的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式讀入對(duì)應(yīng)的地址空間區(qū)域。解析過(guò)程中直接讀取內(nèi)存中相應(yīng)地址獲取COFF 文件數(shù)據(jù)，不再對(duì)文件進(jìn)行IO操作。

2)針對(duì)內(nèi)存中的COFF文件數(shù)據(jù)，分析其文件頭，確定段數(shù)目：N。

3)逐段分析段頭信息表，如果該段屬性為0x00000020時(shí)，記錄此段內(nèi)存中的物理地址MemAddrText_i、大小LenText_i、文件中的偏移地址FileAddrText_i(i=1，2，3，……)；如果該段屬性為0x00000040時(shí)，記錄此段內(nèi)存中的物理地址MemAddrInitData_j、大小LenInitData_j、文件中的偏移地址FileAddrInitData_j(j=1，2，3，…….)。

4)計(jì)算執(zhí)行程序文件大小LenExeFile，并申請(qǐng)相應(yīng)大小的地址空間區(qū)域，用來(lái)與執(zhí)行程序、數(shù)據(jù)文件進(jìn)行線性映射：

AddrLow=Min(FileAddrText_i,MemAddrInitData_j)(i=1，2，3，……,j=1，2，3，…,Min表示求最小值)。

AddrHigh=Max(FileAddrText_i,MemAddrInitData_j)(i=1，2，3，……,j=1，2，3，…,Max表示求最大值)。

LenExeFile=AddrHigh-AddrLow+LenLast(LenLast為通過(guò)Max獲得的起始地址最大的段的長(zhǎng)度)。

5) 逐段分析段頭信息表，如果該段屬性為執(zhí)行代碼或者初始化數(shù)據(jù)，計(jì)算此段數(shù)據(jù)在執(zhí)行程序文件中的位置，按照線性映射關(guān)系將此段數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)內(nèi)存中:MemAddrSec_k(k=1，2，3，……)為執(zhí)行代碼段或者初始化數(shù)據(jù)段內(nèi)存中的物理地址, 執(zhí)行代碼段或者初始化數(shù)據(jù)段在執(zhí)行程序文件中的位置：

ShiftAddrSec_k=MemAddrSec_k-AddrLow(k=1，2，3，……)。

6)完成所有段的分析之后，按照線性映射關(guān)系將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件中，獲得執(zhí)行程序文件。

2.2 自舉表文件解析算法

自舉表文件解析器首先以二進(jìn)制形式讀入自舉表文件，逐一分析各數(shù)據(jù)塊，獲取各數(shù)據(jù)塊的大小，據(jù)此計(jì)算執(zhí)行程序文件的大小，并申請(qǐng)相應(yīng)內(nèi)存空間；根據(jù)各數(shù)據(jù)塊的大小、數(shù)據(jù)塊加載的起始地址，計(jì)算此段數(shù)據(jù)在執(zhí)行程序文件中的位置，并將數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)按照計(jì)算的位置存儲(chǔ)在內(nèi)存空間；將內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)最終存儲(chǔ)在執(zhí)行程序文件中。自舉表文件解析算法工作流程如圖2所示。

圖2 自舉表文件解析算法工作流程

詳細(xì)過(guò)程如下：

1) 讀入自舉表文件，獲取各段數(shù)據(jù)的大小LenSec＿i(i=1，2，3，……)，計(jì)算執(zhí)行程序文件映射內(nèi)存大小∑LenSec＿i(i=1，2，3，……)，申請(qǐng)相應(yīng)空間，并清零。

2)重新讀取自舉表文件，跳過(guò)內(nèi)存寬度和寄存器數(shù)值，指向第一個(gè)數(shù)據(jù)塊的信息頭，針對(duì)每一數(shù)據(jù)塊逐一進(jìn)行3)～6)的處理。

3)判斷自舉表文件當(dāng)前內(nèi)容是否為0，為0，表示自舉文件結(jié)束，否則，表示仍有數(shù)據(jù)塊需要處理。

4)依次獲取本段數(shù)據(jù)塊的大小以及起始地址。

5)計(jì)算本段數(shù)據(jù)在執(zhí)行程序文件映射內(nèi)存中的相應(yīng)位置，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的內(nèi)存中。

6)如果自舉表文件結(jié)束，則將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在執(zhí)行程序文件中。

自舉表文件解析算法也采用WIN32提供的內(nèi)存映射文件機(jī)制，其操作過(guò)程和方法與COFF文件解析算法相同。

3 軟件實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本文以TI公司DSP為例進(jìn)行說(shuō)明，將集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS或者CC編譯、鏈接生成的COFF文件作為輸入文件，經(jīng)過(guò)COFF文件解析器解析，生成執(zhí)行程序；使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的hex.exe工具以及hexbin.exe工具，由COFF文件生成自舉表格式文件；自舉表格式文件經(jīng)過(guò)其解析器解析，生成執(zhí)行程序；為了提高生成執(zhí)行程序的可靠性，對(duì)由COFF格式和自舉表格式文件生成的執(zhí)行程序，通過(guò)二進(jìn)制比較器進(jìn)行逐字節(jié)比對(duì)，兩套執(zhí)行程序大小、內(nèi)容完全一致，則認(rèn)為提取正確；最后通過(guò)二進(jìn)制文件編輯器，使用加殼技術(shù)[7]，在執(zhí)行程序頭部增加長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)信息，生成帶CRC校驗(yàn)信息的執(zhí)行程序文件。軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在使用帶CRC校驗(yàn)信息的執(zhí)行程序文件前，可以根據(jù)長(zhǎng)度、CRC校驗(yàn)碼確認(rèn)文件的完整性和正確性；使用時(shí)，通過(guò)脫殼技術(shù)[9]，刪除CRC校驗(yàn)信息和文件長(zhǎng)度。帶CRC校驗(yàn)信息的執(zhí)行程序文件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 帶CRC校驗(yàn)信息的執(zhí)行程序文件結(jié)構(gòu)

0～3字節(jié)，存放執(zhí)行程序的長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)；4～5字節(jié)，填充0；6～7字節(jié)，存放執(zhí)行程序的16位CRC校驗(yàn)碼，計(jì)算CRC校驗(yàn)碼的多項(xiàng)式為X16+X15+X2+1；從第8個(gè)字節(jié)開(kāi)始，依次存放執(zhí)行程序。

3.2 功能驗(yàn)證

COFF目標(biāo)文件包含text段、data段、bss段、const段、cinit段、switch段、stack段、system段、far段、sect指令定義的初始化段、usect指令定義的未初始化段等。這些段的含義如表1所示。其中text段、const段、cinit段、switch段以及sect指令定義的段為初始化段，需要提取到執(zhí)行程序文件。

表1 COFF文件段的組成

在對(duì)提取器進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，測(cè)試用例考略了COFF文件的完整性、應(yīng)用程序工程中鏈接文件定義段的隨機(jī)性、提取器軟件防錯(cuò)處理等情況，共考慮10項(xiàng)內(nèi)容、117個(gè)組合情況，設(shè)計(jì)用例519個(gè)。詳細(xì)情況如表2所示。

表2 提取器測(cè)試內(nèi)容概況

3.3 性能評(píng)估

針對(duì)使用提取器生成執(zhí)行程序(以下簡(jiǎn)稱方式一)、使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)仿真器提取執(zhí)行程序(以下簡(jiǎn)稱方式二)、人工分析COFF文件提取執(zhí)行程序，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了生成正確率和性能對(duì)比分析。

在載人航天工程、探月工程、探火工程的新一代運(yùn)載火箭型號(hào)的分系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)、出廠測(cè)試、靶場(chǎng)測(cè)試以及發(fā)射任務(wù)過(guò)程中，隨機(jī)選擇了80KByte～300KByte大小的執(zhí)行程序、23位設(shè)計(jì)人員，初始化段和未初始化段隨機(jī)分配，每種狀態(tài)分別使用3種方式生成，每種方式均進(jìn)行了200次，一次正確率(以往人工生成時(shí)，通過(guò)多次生成避免生成錯(cuò)誤)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 一次正確率測(cè)試結(jié)果

上述測(cè)試過(guò)程中，記錄三種方式每次均提取正確的時(shí)間，隨機(jī)選擇100次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 性能測(cè)試結(jié)果

性能評(píng)估測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)提取器生成執(zhí)行程序，不僅能夠確保100%正確生成，提高了生成正確率，而且將生成效率提高了約20倍。

4 結(jié)論

以往人工生成DSP執(zhí)行程序的方法使用設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，操作繁瑣，易出錯(cuò)，可靠性低。本文提出了基于COFF和自舉表文件的DSP執(zhí)行程序提取器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并在載人航天工程、探月工程、探火工程的新一代運(yùn)載火箭型號(hào)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。通過(guò)功能驗(yàn)證、性能評(píng)估以及型號(hào)應(yīng)用實(shí)踐，結(jié)果表明，使用提取器，能夠快速、自動(dòng)生成帶有CRC校驗(yàn)信息的DSP執(zhí)行程序，該技術(shù)極大提高了DSP執(zhí)行程序的生成效率、正確率、可靠性和使用安全性。