15. 从0开始学ARM-位置无关码

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目录

• 十九、位置无关码
  • 一、为什么需要位置无关码？
    • 1. exynos 4412启动流程
  • 二、怎么实现位置无关码?
    • 1. 什么是《编译地址》？什么是《运行地址》？
    • 2. 举例
    • 3. 代码
  • 四、总结
    • 1. 位置无关码：
    • 2. 位置相关码：
    • 3. 位置无关码的应用：
    • 4. 结论
  • 五、思考题

十九、位置无关码

一、为什么需要位置无关码？

首先我们需要了解一下ARM板子的启动流程。

1. exynos 4412启动流程

1. 首先看一下 exynos 4412 memory map ：
   
   可知：
   
   iROM基地址是0x00000000
   
   iRAM基地址是0x02020000

这两块内存都在 SOC中。

1. 查看exynos 4412 Booting Sequence：

位于第五章。

上图是exynos4412上电复位时的启动流程，大致如下：

<1>执行内部只读存储器iROM中的一段代码(厂家固化在里面的)，这段代码主要是初始化一些系统的基本配置，比如初步时钟配置、堆栈、启动模式（对应图中的标志①）。

<2>iROM中的代码根据阶段一获取的启动模式(OM_STAT寄存器),从相应的存储介质中拷贝BL1镜像到内部静态随机存储器SRAM，BL1主要是完善系统时钟的初始化工作、内存控制器一些时序的配置。做完这些工作后把OS镜像拷贝到内存中（对应图中标志②③）。

<3>跳转到OS中执行。

SRAM只有256KB，而uboot镜像一般是超过这个大小的，也就是说它不能把完整的uboot镜像拷贝到SRAM中，因此，推测这里的拷贝方式应该还是：BL1拷贝的仅仅是uboot的一部分，这一部分除了能设置好基本的硬件运行环境外，还能把其自身(uboot镜像)完整的拷贝到内存中，然后uboot在内存中运行，完成OS镜像的拷贝和引导

一般情况下两者的地址并不相同，程序在DRAM中的地址重定位过程必须由程序员来完成。

这样就有了位置无关代码的概念，指代码不在连接时指定的运行地址空间，也可以执行，它一段加载到任意地址空间都能执行的特殊代码。

uboot搬移到DRAM中，然后跳转到DRAM继续运行uboot剩下的代码，那么在搬移之前的这段代码必须是位置无关，而且不能使用绝对寻址指令，否则寻址就会出错。

二、怎么实现位置无关码?

1. 什么是《编译地址》？什么是《运行地址》？

编译地址：

32位的处理器，它的每一条指令是4个字节，以4个字节存储顺序，进行顺序执行，CPU是顺序执行的，只要没发生什么跳转，它会顺序进行执行， 编译器会对每一条指令分配一个编译地址，这是编译器分配的，在编译过程中分配的地址，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，哪里就是运行的地址。

比如有一个指令的编译地址是0x40008000，实际运行的地址是0x40008000，如果用户将指令烧到0x60000000上，那么这条指令的运行地址就是0x60000000。

当编译地址和运行地址不同的时候会出现什么结果？

结果是不能跳转，编译后会产生跳转地址，如果实际地址和编译后产生的地址不相等，那么就不能跳转。

C语言编译地址：

都希望把编译地址和实际运行地址放在一起的，但是汇编代码因为不需要做C语言到汇编的转换，可以直接的去写地址，所以直接写的就是他的运行地址，这就是为什么任何bootloader刚开始会有一段汇编代码，因为起始代码编译地址和实际地址不相等，这段代码和汇编无关，跳转用的运行地址。

2. 举例

实现位置无关码主要考虑以下两个方面：

1. 位置无关的函数跳转
2. 位置无关的常量访问

下面我们通过两个例子详细讲解。

3. 代码

编译代码使用的连接文件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就是链接地址，

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

反汇编文件gcd.dis

如上图所示：

1. _start对应的链接地址是0x40008000
2. 9行 bl func对应的指令
3. 10行 ldr pc,=pc对应的指令
4. func的链接地址0x40008010
5. 全局变量aaaa对应的内存位于bss段0x4000802c
6. 19行 aaaa = 0x11 赋值语句对应的机器码

如果我们将生成的bin文件拷贝到内存0x40008000位置运行必然没有问题，

bl func 和 ldr pc,=func 都能跳转到func函数，
而19行代码，也能访问到全局变量aaaa。

如果我们将该程序拷贝到其他地址是否能正常运行呢？

假定我们拷贝到0地址运行，那么程序的执行地址需要从0开始重新编排，即_start对应0地址，main对应0x18。

拷贝到0地址后内存布局：

拷贝到0地址运行后，内存中指令(机器码)的内容还和以前一样，

pc的值会根据实际运行地址重新修正。

1. 首先看bl func

对应的汇编代码是 第9行；

该指令的机器码是0xeb000001,

我们在《4. 从0开始学ARM-ARM指令，移位、数据处理、BL、机器码》讲过该机器码格式

是从pc的位置向前偏移1条指令

因为三级流水线，所以应该往下偏移3条指令，即func的位置,

所以bl仍然可以正确找到func这个函数。

1. ldr pc,=func
   
   对应的汇编代码是 第10行；

我们可以看到是从pc值+4位置取出对应的内存的值，pc值+4是14，该位置对应15行，

即将40008010写入到pc，

而我们的bin文件只有44个字节大小，所以此时内存40008010并没有我们编写的任何代码。

所以ldr pc,=func 无法跳转到func。

1. c访问全局变量aaaa

对应的汇编代码是 第19行；

我们可以看到是从pc值+4位置取出对应的内存的值，pc值+4是28，该位置对应22行，

即将4000802c写入到r3，然后20行会将r2中值写入到0x4000802c这个地址，

而此时该地址并不是全局变量aaaa，

所以此指令是无法找到bss段的aaaa变量的内存。

四、总结

1. 位置无关码：

CPU取指时用相对地址取指令（比如pc +4），只要其相对地址没有变，都能够取指并运行。即该段代码无论放在内存的哪个地址，都能正确运行。究其原因，是因为代码里没有使用绝对地址，都是相对地址。

2. 位置相关码：

利用绝对地址取指并运行，这就需要你存放程序（链接过程中）需要按照连接脚本的要求那样执行（Makefile里面有 -Ttext xxx指定或连接脚本）。

即它的地址与代码处于的位置相关，是绝对地址，如：mov PC ，#0xff；ldr pc，=0xffff等。

3. 位置无关码的应用：

1）. 程序在运行期间动态加载到内存；

2）. 程序在不同场合与不同程序组合后加载到内存（共享的动态链接库）；

3）. 在运行期间不同地址相互之间的映射（如bootloader）

4. 结论

1. 使用mov pc ,xxx ; ldr pc ,xxx等就是位置相关码。这些使用绝对指令寻址。
2. 而使用bl ,b ,adr,ldr一般为位置无关码。
3. 在使用b, bl调用C语言中的函数里不要使用全局变量，因为C中全局变量的地址也是根据链接地址生成的。
4. 使用=和不使用=号是有很大区别的。
   
   无=号：取该标号处的值，位置无关
   
   有=号：取该标号的地址，位置相关

五、思考题

考一考大家为什么uboot的异常向量表的reset异常，指令是b reset，而其他异常却是我们本文所说的位置相关码，ldr pc,XXXXXX？

arm对应的uboot异常向量表如下：

arch/arm/cpu/armv7/start.S