從0學ARM-什么是位置無關碼？

作者：土豆居士 2021-01-13 11:51:25

存儲存儲軟件

uboot搬移到DRAM中，然后跳轉到DRAM繼續運行uboot剩下的代碼，那么在搬移之前的這段代碼必須是位置無關，而且不能使用絕對尋址指令，否則尋址就會出錯。

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一、為什么需要位置無關碼?

首先我們需要了解一下ARM板子的啟動流程。

1. exynos 4412啟動流程

首先看一下 exynos 4412 memory map ：

可知：iROM基地址是0x00000000 iRAM基地址是0x02020000

這兩塊內存都在 SOC中。

查看exynos 4412 Booting Sequence：

位于第五章。

上圖是exynos4412上電復位時的啟動流程，大致如下：

<1>執行內部只讀存儲器iROM中的一段代碼(廠家固化在里面的)，這段代碼主要是初始化一些系統的基本配置，比如初步時鐘配置、堆棧、啟動模式(對應圖中的標志①)。

<2>iROM中的代碼根據階段一獲取的啟動模式(OM_STAT寄存器),從相應的存儲介質中拷貝BL1鏡像到內部靜態隨機存儲器SRAM，BL1主要是完善系統時鐘的初始化工作、內存控制器一些時序的配置。做完這些工作后把OS鏡像拷貝到內存中(對應圖中標志②③)。

<3>跳轉到OS中執行。

SRAM只有256KB，而uboot鏡像一般是超過這個大小的，也就是說它不能把完整的uboot鏡像拷貝到SRAM中，因此，推測這里的拷貝方式應該還是：「BL1拷貝的僅僅是uboot的一部分」，這一部分除了能設置好基本的硬件運行環境外，「還能把其自身(uboot鏡像)完整的拷貝到內存中」，然后uboot在內存中運行，完成OS鏡像的拷貝和引導

一般情況下兩者的地址并不相同，程序在DRAM中的地址重定位過程必須由程序員來完成。

這樣就有了「位置無關代碼」的概念，指代碼不在連接時指定的運行地址空間，也可以執行，它一段加載到任意地址空間都能執行的特殊代碼。

二、怎么實現位置無關碼?

1. 什么是《編譯地址》?什么是《運行地址》?「編譯地址：」

32位的處理器，它的每一條指令是4個字節，以4個字節存儲順序，進行順序執行，CPU是順序執行的，只要沒發生什么跳轉，它會順序進行執行，編譯器會對每一條指令分配一個編譯地址，這是編譯器分配的，在編譯過程中分配的地址，我們稱之為編譯地址。

「運行地址：」

是指程序指令真正運行的地址，是由用戶指定的，用戶將運行地址燒錄到哪里，哪里就是運行的地址。比如有一個指令的編譯地址是0x40008000，實際運行的地址是0x40008000，如果用戶將指令燒到0x60000000上，那么這條指令的運行地址就是0x60000000。

當編譯地址和運行地址不同的時候會出現什么結果?結果是不能跳轉，編譯后會產生跳轉地址，如果實際地址和編譯后產生的地址不相等，那么就不能跳轉。

「C語言編譯地址：」

都希望把編譯地址和實際運行地址放在一起的，但是匯編代碼因為不需要做C語言到匯編的轉換，可以直接的去寫地址，所以直接寫的就是他的運行地址，這就是為什么任何bootloader剛開始會有一段匯編代碼，因為起始代碼編譯地址和實際地址不相等，這段代碼和匯編無關，跳轉用的運行地址。

2. 舉例

實現位置無關碼主要考慮以下兩個方面：

1. 位置無關的函數跳轉 
2. 位置無關的常量訪問

代碼

編譯代碼使用的連接文件「map.lds」如下：

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") 
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/ 
OUTPUT_ARCH(arm) 
ENTRY(_start) 
SECTIONS 
{ 
 . = 0x40008000; 
 . = ALIGN(4); 
 .text      : 
 { 
  gcd.o(.text) 
  *(.text) 
 } 
 . = ALIGN(4); 
    .rodata :  
 { *(.rodata) } 
    . = ALIGN(4); 
    .data :  
 { *(.data) } 
    . = ALIGN(4); 
    .bss : 
     { *(.bss) } 
}

如文件map.lds所示：「0x40008000」就是鏈接地址，

其他源文件如下：「gcd.s」

.text 
.global _start 
_start: 
  ldr  sp,=0x70000000         /*get stack top pointer*/ 
  bl func 
  ldr pc,=func 
  b  main 
func: 
 mv pc,lr

「main.c」

/* 
 * main.c 
 * 
 *  Created on: 2020-12-12 
 *      Author: 一口Linux 
 */ 
int aaaa=0;  
int main(void) 
{ 
 aaaa = 0x11; 
 while(1); 
    return 0; 
}

「Makefile」

TARGET=gcd 
TARGETC=main 
all: 
 arm-none-linux-gnueabi-gcc -O1 -g -c -o $(TARGETC).o  $(TARGETC).c 
 arm-none-linux-gnueabi-gcc -O1 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s 
 arm-none-linux-gnueabi-gcc -O1 -g -S -o $(TARGETC).s  $(TARGETC).c 
 arm-none-linux-gnueabi-ld $(TARGETC).o $(TARGET).o -Tmap.lds  -o  $(TARGET).elf  
 arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin 
 arm-none-linux-gnueabi-objdump -D $(TARGET).elf > $(TARGET).dis 
 
clean: 
 rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin