概念
在设计bootloader的时候，必须在裸机状态下运行，这时bootloader映像文件的运行地址必须由程序员指定。通常情况下，将bootloader程序下载到ROM的0x0地址进行启动（比如固化到NorFlash中）。然而在很多的设计中，比如将bootloader固化在NAND中，在系统复位后S3C2440A中NAND控制器自动读取NAND中存储的前4K的代码到s3c2440a中称之为steppingstone的RAM中，steppingstone中的代码用进行一些非核心的硬件初始化，再将NAND中剩下的bootloader代码拷贝到RAM中运行。一般境况下两者的地址并不相同，程序在SDRAM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，指代码不在连接时制定的运行地址空间，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。这样在steppingstone设计的代码要用位置无关设计。
位置无关代码可以用于以下场合：
- 程序在运行期间动态加载到内存；
- 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）；
- 在运行期间不同地址相互之间的映射（如bootloader）
ARM位置无关程序设计要点
ARM程序的位置无关可执行文件PIE（position independent executable）包括位置无关代码PIC（position independent code）和位置无关数据PID（position independent data）两部分。
PID 主要针对可读写数据段(.data 段),其中保存已赋初值的全局变量。为实现其位置无关性,通常使用寄存器R9作为静态基址寄存器,使其指向该可读写段的首地址,并使用相对于基址寄存器的偏移量来对该段的变量进行寻址。这种方法常用于为可重入程序的多个实例产生多个独立的数据段。在程序设计中,一般不必考虑可读写段的位置无关性,这主要是因为可读写数据主要分配在SDRAM 中。
PIC包括程序中的代码和只读数据（.text段），为了保证程序能在ROM和SDRAM空间中能真确的运行，必须采用位置无关代码程序设计。PIC 遵循只读段位置无关ROPI(Read-Only PositionIndependence)的ATPCS(ARM2Thumb Procedure Call Standard)的程序设计规范:
- 程序设计规范
引用同一ROPI 段或相对位置固定的另一ROPI 段中的符号时,必须是基于PC 的符号引用,即使用相对于当前PC 的偏移量来实现跳转或进行常量访问。
- 位置无关的程序跳转。
在ARM 汇编程序中,使用相对跳转指令B/BL 实现程序跳转。指令中所跳转的目标地址用基于当前PC 的偏移量来表示,与链接时分配给地址标号的绝对地址值无关,因而代码可以在任何位置进行跳转,实现位置无关性。
另外,还可使用ADR 或ADRL 伪指令将地址标号值读取到PC 中实现程序跳转。这是因为ADR或ADRL等伪指令会被编译器替换为对基于PC 的地址值进行操作,但这种方式所能读取的地址范围较小,并且会因地址值是否为字对齐而异。
但在ARM 程序中,使用LDR 等指令直接将地址标号值读取到PC 中实现程序跳转不是位置无关的。
例如：
|
|
可见,虽然LDR 是把基于PC 的一个存储单元LPOOL 的内容加载到PC 中,但该存储单元中保存的却是链接时所决定的main 函数入口的绝对地址,所以main函数实际所在的段不是位置无关。
- 位置无关常量访问
在应用程序中,经常要读写相关寄存器以完成必要的硬件初始化。为增强程序的可读性,利用EQU 伪指令对一些常量进行赋值,但在访问过程中,必须实现位置无关性。下面以 U-boot的
SDRAM初始化介绍位置无关的常量访问方法。
|
.globl lowlevel_init /* everything is fine now */ .ltorg ... .word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT) 汇编反汇编后 Disassembly of section .text: 00000000 <_TEXT_BASE>:
|
由此可以得出如下结论：
| 使用LDR 伪指令将一个常量读取到非PC 的其他通用寄存器中可实现位置无关的常量访问;但将一个地址值读取到PC 中进行程序跳转时,跳转目标则是位置相关的。 |
其他被ROPI 段中的代码引用的必须是绝对地址,或者是基于可读写位置无关( RWPI) 段的静态基址寄存器的可写数据。使用绝对地址只能引用被重定位到特定位置的代码段中的符号,通过在位置无关代码中引入绝对地址,可以让程序跳转到指定位置。例如,假设Bootloader 的阶段1将其自身代码拷贝到链接时所指定的SDRAM 地址空间后,当要跳转到阶段2 的C 程序入口时,可以使用指令“LDR PC,= main”跳转到程序在SDRAM 中的main 函数入口地址开始执行。这是因为程序在编译链接时给main 函数分派绝对地址,系统通过将main 函数的绝对地址直接赋给PC 实现程序跳转。如果使用相对跳转指令“B main”,那么只会跳转到启动ROM 内部的main 函数入口。
bootloadr、内核等程序刚开始执行的时候，他们所处的地址通常不等于运行地址。在程序的开头，先使用b、bl、mov等“位置无关”的指令将代码从flash等设备中复制到内存的“运行地址”处，然后再跳到“运行地址”去执行。
U-Boot位置无关分析举例来自100ask,我做了以下修改
|
|
当映像文件在nor flash中时，adr r0,_start 就想当于 sub r0,pc,#offset， 假设_start在映像文件的0位置出， nor flash地址从0开始，那么这时r0中的值就是0。
当映像文件被加载到RAM后，adr r0,_start 还是相当于 sub r0,#offset，但这里的pc值已经是基于RAM加载地址的了。所以结果r0中的值就是0x33f80000， 等于_TEXT_BASE。 判断这两个值是否相等，就可以确定映像是否已经加载到内存中了。
|
|
u-boot的连接地址是0x33f80000，意味着它“最后”将被复制到0x33f80000的内存中。
但是“刚开始时”肯定不在内存中，而是在NOR FLASH中──而NOR FLASH的起始地址是0。
为什么本应该在0x33f80000运行的指令，在0地址也可以运行？
答：u-boot中第一个执行的文件是start.S，它都是使用b、bl等等指令写成的，它们是“位置无关的”，就是说它们可以在任何位置运行，而不是非要在“0x33f80000那段地址”运行。
start.S完成什么功能呢？初始化、复制代码到SDRAM，然后跳到SDRAM去运行。
上面的NorFlash你可以理解成S3C2440A中的steppingstone
|
|
版权声明：本文内容由互联网用户自发贡献，该文观点与技术仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌侵权/违法违规的内容， 请发送邮件至 dio@foxmail.com 举报，一经查实，本站将立刻删除。