uboot 与代码重定位

ref:

https://blog.csdn.net/dhauwd/article/details/78566668

https://blog.csdn.net/yueqian_scut/article/details/39004727

https://blog.csdn.net/Egean/article/details/84889565

https://www.cnblogs.com/zafu/p/7399859.html

涉及领域：

裸机程序，uboot，Linux kernel

1、为什么需要重定位？

大部分的程序是不需要重定位的，但是有时候需要。

最常见的例子就是我们的UBOOT，因为我们的UBOOT有200多KB，但是我们开始BL0的地方只有96KB。所以我们需要在96KB之前进行重定位，使开发板能够进行重定位。如果代码不是位置无关码，代码必须放在链接地址开始的地方，程序才可以正常运行，否则的话当PC去访问、执行某个变量名、函数名对应地址上的代码时就会找不到，接着程序无疑就是跑飞。

2、什么是重定位？

重定位：把代码搬移到你想要的地址，本来程序是运行在运行地址处的，你可以通过重定位搬移到链接地址处。

链接地址：编译器对代码中的变量名、函数名等东西进行一个地址的编排，赋予这些抽象的东西一个地址，然后在程序中访问这些变量名、函数名就是在访问一些地址，这些地址我们称之为编译地址。

运行地址：是指程序指令真正运行的地址，是由用户指定的，用户将运行地址烧录到哪里，也就是PC当前执行指令所在的实际地址，就是运行的地址。也就是真实在程序中运行的地址。

3、重定位的基础知识

(1)大部分指令是位置有关编码。

位置无关码（PIC, position independent code）：

汇编源文件被编码成二进制可执行程序后与位置无关。有些特别的指令，可以跟地址没有关系。也就是说这些代码实际运行时，不管放在哪里都能正常运行。

位置有关码：

汇编编码成二进制可执行程序后和内存地址是有关的。

PS：

我们在设计一个程序时，会给这个程序指定一个运行地址。就是说我们在写程序时，其实我们是知道我们程序将来被运行的地址的。

必须给编译器和链接器指定这个地址才行，最后得到二进制程序。

理论上和你指定的运行地址是有关的，这就叫做位置有关代码。

(2)对于位置有关码来说：最终执行时的运行地址和编译链接时给定的链接地址必须相同，否则一定会出错。

如果编译时使用-Ttext 0x0来指定链接地址是0x0，这意味着我们认为这个程序将来会放在这个内存地址中运行。但是实际上我们运行的地址是下载在开发板的地址0xd0020010。因为是位置无关码，所以运行程序来是没有什么问题的。而且我们开发板对这些程序进行了映射，所以说这是一个偶然的情况。

(3)我们再来分析一下S5PV210的启动过程。

官方建议的启动过程（假定你的Bootloader为80KB）

开机启动，执行BL0，BL0会加载外部启动设备中的bootloader的前16KB到SRAM，

（BL0是厂家事先固化好的程序）

校验BL1，运行BL1

BL1在运行时，初始化外部DDR，加载剩余的64kb代码到 BL2中（ 64 = 80 - 16)

运行BL2，初始化DDR，并且将OS搬运到DDR

执行OS，启动完成。

UBOOT实际上的启动的方法：

（由于 BL2 的空间也太小了，使用起来非常有局限，所以uboot的设计者干脆在BL1以后，连同BL2与OS有关的直接放到DDR上运行了）

先开机上电，BL0运行，BL0会加载外部启动设备中的UBOOT的前16KB（BL1）到SRAM中去运行，

BL1运行会初始化DDR。然后将整个UBOOT，搬运到我们的DDR中。

从SRAM中直接长跳转到DDR中继续执行我们的UBOOT。直到UBOOT完全启动。

长跳转的意思就是从SRAM中跳转到DDR中。UBOOT启动后在命令行中去执行OS。

4、从源码到可执行程序的步骤：预编译、编译，链接、[strip]

预编译：比如C中的宏定义就是由预编译器处理的，注释等也是由预编译器处理的。

编译：编译器来执行，把源码中的.c/.s文件转换为.o文件。

链接：链接器来执行，把.o文件中的各种函数（段）按照一定的规则（即使不用用链接脚本指定，链接器也有默认的固定的顺序）链接到一起，形成可执行程序。

链接的本质是规则文件，它指明了一种行动的规则，它是我们程序员用来指挥链接器工作的一种语言。

链接器会参考链接脚本来处理我们.o文件哪些段，将其链接成一个可执行程序。

strip: 把可执行程序中的符号信息给拿掉，以节省空间，一般可以节省3分之一的空间。这样就从 elf 文件转换为 bin 文件

5、链接脚本存在的意义

链接脚本用来指定编译时的一些选项，使得程序能够按照开发者的意志进行指定的排布，也为了在某些特定的场合满足需求。

1.代码段 (.text)

代码段（code segment/text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读 , 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。程序段为程序代码在内存中的映射。一个程序可以在内存中多有个副本。

2.数据段(.data)

数据段就是C语言中有显示的初始化为非0的全局变量。数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

3.BSS段(.bss) ，又叫做ZI段，零初始化段，

通常是指用来存放程序中未初始化或初始化为0的全局变量和静态变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。特点是可读写的，在程序执行之前BSS段会自动清0。bss段的存放是指为其预留空间（占位符）BSS段在可执行文件中时候不占磁盘空间，要运行的时候才分配空间并清0.

4.自定义段

由我们程序员自己定义，段的属性和特征也由我们自己定义。

在移植 uboot 时，接触到一个概念叫做位置无关码，那么与它对应的就是位置有关码。提到这两个概念就还得提一提链接地址、加载地址。

链接地址，链接脚本里指定的，理论上程序运行时所处的地址。在编译时，编译器会根据链接地址来翻译位置有关码。

加载地址，程序运行时，实际所处的地址。

位置无关码，位置有关码，是相对于一条指令的正常目的来说的。比如 ldr r0 ,=标号，它的正常目的是取得标号处的地址，对于这个目的，它是位置有关码，运行的地址不对就获取不到正确的标号地址，其实它无论在哪都是获取的程序加载地址等于链接地址时，标号的地址，如果你就是想要这个值，那么用这条指令是非常正确的，就不用理会什么位置无关码，位置有关码的概念了，这一点非常重要。

因此，当加载地址不等于链接地址时，并不是不可以用位置无关码，而是要看你用位置无关码是否达到了你想要的目的。

位置无关码，依赖于程序当前运行的PC值，进行相对的跳转，导致的结果就是，无论代码在哪，总能达到指令的正常目的，因此是位置无关的。

位置有关码，不依赖当前PC值，是绝对跳转，只有程序运行在链接地址处时，才能达到指令的正常目的，因此是位置有关系的。

下面，我们来看常用的汇编指令以及C语言中哪些操作是位置有关码，哪些是位置无关码。

SECTIONS {

. = 0x33f80000;

.text : { *(.text) }

. = ALIGN(4);

.rodata : {*(.rodata*)}

. = ALIGN(4);

.data : { *(.data) }

. = ALIGN(4);

__bss_start = .;

.bss : { *(.bss) *(COMMON) }

__bss_end = .;

}

.text

.global _start

_start:

bl close_watch_dog /* 相对跳转，位置无关 */

bl _start

adr r0, close_watch_dog /* 获取标号地址，位置无关 */

ldr r0, SMRDATA /* 获取标号处的值，位置无关 */

ldr r0, =0x12345678

ldr r0, =SMRDATA /* 获取标号地址，位置有关 */

ldr r0, =main /* 获取函数名的地址，位置有关 */

ldr r0 ,=__bss_start /* 获取链接脚本里标号的地址，位置有关 */

close_watch_dog:

mov r1, #0

str r1, [r0]

mov pc, lr

SMRDATA:

.word 0x22111120

int a;

void abc(){

a = 2;

}

int main(){

int b;

a =1 ;

b =1 ;

abc();

return 0;

}

如果加载地址为 0 ，那么代码将按照下面的顺序排放

00000000 <_start>:

00000000: eb000006 bl 33f80020 <close_watch_dog>

00000004: ebfffffd bl 33f80000 <_start>

00000008: e28f0010 add r0, pc, #16

0000000c: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ;

00000010: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ;

00000014: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ;

00000018: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ;

0000001c: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ;

00000020 <close_watch_dog>:

00000020: e3a01000 mov r1, #0

00000024: e5801000 str r1, [r0]

00000028: e1a0f00e mov pc, lr

0000002c <SMRDATA>:

0000002c: 22111120 andscs r1, r1, #8

00000030: 12345678 eorsne r5, r4, #125829120 ; 0x7800000

00000034: 33f8002c mvnscc r0, #44 ; 0x2c

00000038: 33f80064 mvnscc r0, #100 ; 0x64

0000003c: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

00000040 <abc>:

00000040: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)

00000044: e28db000 add fp, sp, #0

00000048: e59f3010 ldr r3, [pc, #16] ; 33f80060 <abc+0x20>

0000004c: e3a02002 mov r2, #2

00000050: e5832000 str r2, [r3]

00000054: e28bd000 add sp, fp, #0

00000058: e8bd0800 pop {fp}

0000005c: e12fff1e bx lr

00000060: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

00000064 <main>:

00000064: e92d4800 push {fp, lr}

00000068: e28db004 add fp, sp, #4

0000006c: e24dd008 sub sp, sp, #8

00000070: e59f3024 ldr r3, [pc, #36] ; 33f8009c <main+0x38>

00000074: e3a02001 mov r2, #1

00000078: e5832000 str r2, [r3]

0000007c: e3a03001 mov r3, #1

00000080: e50b3008 str r3, [fp, #-8]

00000084: ebffffed bl 33f80040 <abc>

00000088: e3a03000 mov r3, #0

0000008c: e1a00003 mov r0, r3

00000090: e24bd004 sub sp, fp, #4

00000094: e8bd4800 pop {fp, lr}

00000098: e12fff1e bx lr

0000009c: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

如果加载地址为0x33f80000 则按照下边的顺序排放

33f80000 <_start>:

33f80000: eb000006 bl 33f80020 <close_watch_dog>

33f80004: ebfffffd bl 33f80000 <_start>

33f80008: e28f0010 add r0, pc, #16

33f8000c: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ; 33f8002c <SMRDATA>

33f80010: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ; 33f80030 <SMRDATA+0x4>

33f80014: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ; 33f80034 <SMRDATA+0x8>

33f80018: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ; 33f80038 <SMRDATA+0xc>

33f8001c: e59f0018 ldr r0, [pc, #24] ; 33f8003c <SMRDATA+0x10>

33f80020 <close_watch_dog>:

33f80020: e3a01000 mov r1, #0

33f80024: e5801000 str r1, [r0]

33f80028: e1a0f00e mov pc, lr

33f8002c <SMRDATA>:

33f8002c: 22111120 andscs r1, r1, #8

33f80030: 12345678 eorsne r5, r4, #125829120 ; 0x7800000

33f80034: 33f8002c mvnscc r0, #44 ; 0x2c

33f80038: 33f80064 mvnscc r0, #100 ; 0x64

33f8003c: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

33f80040 <abc>:

33f80040: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)

33f80044: e28db000 add fp, sp, #0

33f80048: e59f3010 ldr r3, [pc, #16] ; 33f80060 <abc+0x20>

33f8004c: e3a02002 mov r2, #2

33f80050: e5832000 str r2, [r3]

33f80054: e28bd000 add sp, fp, #0

33f80058: e8bd0800 pop {fp}

33f8005c: e12fff1e bx lr

33f80060: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

33f80064 <main>:

33f80064: e92d4800 push {fp, lr}

33f80068: e28db004 add fp, sp, #4

33f8006c: e24dd008 sub sp, sp, #8

33f80070: e59f3024 ldr r3, [pc, #36] ; 33f8009c <main+0x38>

33f80074: e3a02001 mov r2, #1

33f80078: e5832000 str r2, [r3]

33f8007c: e3a03001 mov r3, #1

33f80080: e50b3008 str r3, [fp, #-8]

33f80084: ebffffed bl 33f80040 <abc>

33f80088: e3a03000 mov r3, #0

33f8008c: e1a00003 mov r0, r3

33f80090: e24bd004 sub sp, fp, #4

33f80094: e8bd4800 pop {fp, lr}

33f80098: e12fff1e bx lr

33f8009c: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

Disassembly of section .bss:

33f800a0 <a>:

33f800a0: 00000000 andeq r0, r0, r0

一、B BL指令

bl close_watch_dog

33f80000:　　eb000006 　　bl33f80020 <close_watch_dog>

b 是相对跳转：PC + 偏移值（PC值等于当前地址+8）

偏移值：机器码 0xeb000006 低 24位 0x000006 按符号为扩展为 32 位 0x00000006 正数，向后跳转 0x6 个 4字节也就是 0x1c

1、加载地址0：0 + 8 + 0x1c = 0x20 正确跳转

2、加载地址0x3ff80000:0x3ff80000 + 8 + 0x1c = 0x33f80020 正确跳转

bl _start

33f80004:　　ebfffffd　　bl33f80000 <_start>

偏移值：机器码 0xebfffffd 低 24位 fffffd 按符号位扩展为 32 位 0xfffffffd 负数(-3)，向前跳转 0x3 个 4字节也就是 0xc

1、加载地址0：4 + 8 - 0xc = 0 正确跳转

2、加载地址0x3ff80000: 　　0x3ff80004 + 8 + 0xc = 0x33f80000 正确跳转

通过以上分析，我们知道B是相对跳转，位置无关码，也可以知道为什么32为arm指令集，B的范围为正负32M了，24位去掉1位符号位，恰好等于32M。

二、ADR

adr r0, close_watch_dog /* 获取标号处的地址，位置无关 */

33f80008: e28f0010　　add　　r0, pc, #16

1、加载地址0：0 + 8 + 16 = 0x20 正确

2、加载地址0x3ff80000:0x3ff80008 + 8 + 16 = 0x33f80020 正确

adr 获取的是标号处的“实际”地址，标号在哪就是哪个地址，跟位置无关，总能获得想要的值。

三、LDR

ldr r0, SMRDATA /* 获取标号处的值，位置无关 */

33f8000c: 　　e59f0018　　ldr 　　r0, [pc, #24]; 33f8002c <SMRDATA>

ldr r0, SMRDATA /* 获取标号处的值，位置无关 */

33f8000c:e59f0018ldrr0, [pc, #24]; 33f8002c <SMRDATA>

1、加载地址0：r0 = c + 8 + 24 = 0x2c 处的值 0x22111120 正确

2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff8000c + 8 + 24 = 0x33f8002c处的值 0x22111120 正确

ldr r0, =0x12345678 /* 常数赋值，位置无关 */

33f80010: e59f0018　　ldr　　r0, [pc, #24]; 33f80030 <SMRDATA+0x4>

1、加载地址0：r0 = 0x10 + 8 + 24 = 0x30 处的值 0x12345678 正确

2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80010 + 8 + 24 = 0x33f80030处的值 0x12345678 正确

ldr r0, =SMRDATA /* 获取标号地址，位置有关 */

33f80014: e59f0018　　ldrr0, [pc, #24]; 33f80034 <SMRDATA+0x8>

1、加载地址0：r0 = 0x14 + 8 + 24 = 0x34 处的值 33f8002c 与标号实际地址（2c）不符合，不正确

2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80014 + 8 + 24 = 0x33f80034 处的值 33f8002c 正确

ldr r0, =main/* 获取函数名的地址，位置有关 */

ldr r0 ,=__bss_start /* 获取链接脚本里标号的地址，位置有关 */

这俩和 ldr r0, =SMRDATA 一致，位置有关，在0地址处运行不正确。

四、C函数

1、全局变量

00000040 <abc>:

00000040: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)

00000044: e28db000 add fp, sp, #0

00000048: e59f3010 ldr r3, [pc, #16] ; 33f80060 <abc+0x20>

0000004c: e3a02002 mov r2, #2

00000050: e5832000 str r2, [r3]

00000054: e28bd000 add sp, fp, #0

00000058: e8bd0800 pop {fp}

0000005c: e12fff1e bx lr

00000060: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

000000a0 <a>:

000000a0: 00000000 andeq r0, r0, r0

33f80040 <abc>:

33f80040: e52db004 push {fp} ; (str fp, [sp, #-4]!)

33f80044: e28db000 add fp, sp, #0

33f80048: e59f3010 ldr r3, [pc, #16] ; 33f80060 <abc+0x20>

33f8004c: e3a02002 mov r2, #2

33f80050: e5832000 str r2, [r3]

33f80054: e28bd000 add sp, fp, #0

33f80058: e8bd0800 pop {fp}

33f8005c: e12fff1e bx lr

33f80060: 33f800a0 mvnscc r0, #160 ; 0xa0

33f800a0 <a>:

33f800a0: 00000000 andeq r0, r0, r0

r3 为全局变量 a 的地址，a 是存放在 0起始的地址还是0x33f80000起始的地址，它都认为 a 的地址是 0x33f800a0 。因此，C函数中调用全局变量是位置有关码。

2、函数调用

33f80084:　　ebffffed　　bl　　33f80040 <abc>

由于 main 函数和 abc 函数挨得比较近，在32M范围之内，因此被翻译成了一条 bl 指令，那么与位置无关。

如果，调用的函数比较远，大于32M的话，我认为是与位置有关系的，这个不再验证了。

3、局部变量

局部变量在函数刚开始的地方被压入栈，赋值语句被翻译成：

33f8007c: 　　e3a03001　　mov　　r3, #1

33f80080: 　　e50b3008

str r3, [fp, #-8]

位置无关。