侵权投诉

搜索
更多>> 热门搜索:
订阅
纠错
加入自媒体

什么是位置无关码?为什么需要位置无关码?

2021-01-13 14:19
一口Linux
关注

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启动流程首先看一下 exynos 4412 memory map :

可知:iROM基地址是0x00000000iRAM基地址是0x02020000

这两块内存都在 SOC中。

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。

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:

_start对应的链接地址是0x400080009行 bl func对应的指令10行 ldr pc,=pc对应的指令func的链接地址0x40008010全局变量aaaa对应的内存位于bss段0x4000802c19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。

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。

bl funcldr 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。

c访问全局变量aaaa

对应的汇编代码是 第19行;

c访问全局变量aaaa

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。

三、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。而使用「bl ,b ,adr,ldr」一般为位置无关码。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。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」

【考一考】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


声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号