uboot之位置无关代码解析
在之前的话
新年过去了,那么久没有好好学习,感觉好颓废,现在就uboot的一些基础问题做一些笔记,顺便分享给大家,不过由于见识有限,如果有不足之处请多多指教。
位置无关?什么意思?我们先了解一些基础知识。。。。。
我们都知道我们写的代码最后是运行在内存(SDRAM或者SRAM,通常是SDRAM)中的,但是在运行之前他们是保存在诸如nand、flash等非易失存储设备中的,而这些存储设备的地址要映射到CPU能够寻找的地址上(一般映射在0X0地址上,这个后面详细解释),这样才能得到要运行的代码。而代码要运行的内存(这里就假设是SDRAM)也要映射到CPU上(肯定是和nand那些存储器不一样的地址,例如三星的2440的就映射到了0x30000000上),所以说存储在nand或者flash的代码最终得复制到内存上运行的。这里就记住代码存储的地方(加载地址)和代码要运行的地方(运行地址)是不一样的。
现在说一下地址映射的问题。在学习ARM时,我们一般会遇到两种启动方式,一个是nand启动,一个是nor启动。这两种启动方式都是映射到0x0地址的,但是映射方式稍有不同。所以先了解一下这两种介质的硬件特性:
nand:由于nand存储器的硬件特性,代码是无法在他上面运行的,他只有存储代码的功能。
nor:他不仅可以存储代码,还可以让代码运行,但是他只能进行读,不能进行写的操作,但毕竟是可以运行代码啦。
所以nand启动的话,如果没有进行特殊手段,代码是无法得到的,在ARM中,他是通过硬件自动把nand前面的4K代码复制到一块映射到0x0地址上的SRAM中的,记住这是硬件自动完成的。这样4K代码就在SRAM上了,我们知道SRAM是能运行代码的(可读可写)。但是这个SRAM只有4K大小,要是存储在nand的代码不止4K,只在SRAM上面运行是无法完成代码设定的所有功能的。为了解决这个问题,于是就在这4K的代码中完成一个可以将nand的代码复制到其他更大的内存上(这里是SDRAM),这样就可以运行所有代码了。
nor启动的话,由于nor可以运行代码,所以就不用什么SRAM了,直接把nor映射到0x0位置上就可了,如果nor空间够大,甚至可以不用重定位代码,只是nor无法进行写功能,读取的效率又没SDRAM高,加上为了兼容nand启动(不用写两套代码),也就跟nand启动一样只运行前面4K,剩下复制到SDRAM上再继续运行。
问题又来了,我们知道代码经过编译,链接后才可以得到可以运行的代码,而这代码只有在链接时指定的位置上才能运行。对于2440,链接文件指定的位置一般是在SDRAM上面的,可是nand启动时,前面的4K代码却在SRAM中运行了。
这会有什么问题?我们知道编写好的代码的地址在链接时就已经安排好了。例如2440链接文件指定链接地址是0x30008000,那么所有代码地址就是从0x30008000开始的。而在启动时,代码却是在0x0开始运行的,如果不进行特殊处理,肯定会有问题,比如我们调用一个函数,而这个函数地址是在SDRAM上的(链接时已经确定),并且这时代码还没复制到SDRAM上,也就是说代码还在nand或者在4K的SRAM里面,在SDRAM是找不到要调用的函数的,那样就会无法执行这个函数。
如果在还在nand里面肯定是没办法了,这个代码是无法运行的必须废弃,如果在4K的SRAM就有办法了。于是就出现了位置无关指令:
位置无关/相关指令:
B BL ADR MOV ADD等,这些指令都是位置无关指令
LDR STR等指令是位置有关指令
位置无关什么意思呢?
既然这个时候SDRAM还没有代码,那就不去那里找了嘛,我们去别的地方找。别的地方是哪里呢?这个时候代码是运行在SRAM上的,处理器的PC寄存器也是指向这个地方的,有4K代码也是在这个地方的。那我就不用链接指定的地址来寻找想要的代码,我设计一些是与PC寄存器指向的位置有联系的寻址指令来寻址,这样PC寄存器指向哪里,我就在哪里找我想要的代码,而不是去链接指定的地址去找。
位置无关指令就是这样的指令,他不去链接指定位置寻找代码,而是在PC寄存器指向的位置相对它前后32M的范围寻找代码,也就是说只要我想要调用的代码在PC指向位置前后的32M范围内,就能找到(这是硬件完成的,我们知道位置无关指令就是这个意思就行)。当然,我们的SRAM只有4K,所以寻找的范围肯定就只能在这4K里面才行了,超过了也是找不到的。所以要求我们的重定位代码必须在这4K里面,必要的硬件初始化代码,内存初始化代码,nand初始化代码等等,必须在4K以内完成,否则就会出问题。所以位置无关指令的寻址是基于当前PC寄存器位置来寻址的。
下面根据uboot的代码进行讲解
1.内存控制器初始化代码
_TEXT_BASE:
.word TEXT_BASE /*根据链接地址得知这是0x30000000*/
.globl lowlevel_init /*定义lowlevel_init为全局函数*/
lowlevel_init:
ldr r0, =SMRDATA /*链接后,SMRDATA是在SDRAM上某个位置的,但是这时候SDRAM还没任何代码,代码现在还在SRAM上,也就说ldr指令是位置相关指令*/
ldr r1, _TEXT_BASE /*0x30000000*/
sub r0, r0, r1 /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器在SRAM上的地址 */
ldr r1, =BWSCON /* R1指向内存控制器的寄存器地址上 */
add r2, r0, #13*4 /*有13个寄存器,每个32位宽度*/
0:
ldr r3, [r0], #4 /*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/
str r3, [r1], #4
cmp r2, r0
bne 0b
/* everything is fine now */
mov pc, lr
.ltorg
/* the literal pools origin */
SMRDATA: /* 下面是13个寄存器的值 */
.word … …
.word … …
… …
2.nor启动的重定位代码
adr r0, _start /*adr是位置无关指令,因为nor启动,这时第一条指令被映射到nor上的0x0位置,所以R0=0x0,如果是RAM启动,那_start就是存在0x30000000了 */
ldr r1, _TEXT_BASE /* 位置相关指令,R1=0x30000000 */
/* 判断U-Boot是否是下载到RAM中运行,若是,则不用 再复制到RAM中了,这种情况通常在调试U-Boot时才发生 */
cmp r0, r1 /*_start等于_TEXT_BASE说明是下载到RAM中运行 */
beq stack_setup
/* 以下直到nand_boot标号前都是NOR Flash启动的代码 */
ldr r2, _armboot_start /*这里其实就是_start的地址*/
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* 得到代码大小 */
add r2, r0, r2 /* 得到代码结束地址 */
/* 搬运U-Boot自身到RAM中*/
copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* 从地址为[r0]的NOR Flash中读入8个字的数据 */
stmia r1!, {r3-r10} /* 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为[r1]的内存 */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
b stack_setup /* 跳过NAND Flash启动的代码 */
以上就是位置无关代码的解析了,uboot在运行第二阶段之前,绝大部分的指令都是位置无关指令,这样才能保证代码能够运行。
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