uboot中位置无关代码的程序设计

ARM处理器支持位置无关的程序设计，这种程序加载到存储器的任意地址空间都可以正常运行，其设计方法在嵌入式应用系统开发中具有重要的作用。本文首先 介绍位置无关代码的基本概念和实现原理，然后阐述基于ARM汇编位置无关的程序设计方法和实现过程，最后以嵌入式Bootloader程序设计为例，介绍 位置无关程序设计在Bootloader程序设计中的作用。

引言

基于位置无关代码 PIC（Position Independent Code）的程序设计在嵌入式应用系统开发中具有重要的作用，尤其在裸机状态下开发Bootloader程序及进行内核初始化设计；利用位置无关的程序设 计方法还可以在具体应用中用于构建高效率动态链接库，因而深入理解和熟练掌握位置无关的程序设计方法，有助于开发人员设计出结构简单、清晰的应用程序。本 文首先介绍位置无关代码的基本概念和实现原理，然后阐述基于ARM汇编位置无关的程序设计方法和实现过程，最后以Bootloader程序设计为例，介绍 了位置无关程序设计在Bootloader程序设计中的作用。

1 位置无关代码及程序设计方法

1.1 基本概念与实现原理

应用程序必须经过编译、汇编和链接后才变成可执行文件，在链接时，要对所有目标文件进行重定位(relocation)，建立符号引用规则，同时为变 量、函数等分配运行地址。当程序执行时，系统必须把代码加载到链接时所指定的地址空间，以保证程序在执行过程中对变量、函数等符号的正确引用，使程序正常 运行。在具有操作系统的系统中，重定位过程由操作系统自动完成。

在设计Bootloader程序时，必须在裸机环境中进行，这时 Bootloader映像文件的运行地址必须由程序员设定。通常情况下，将 Bootloader程序下载到ROM的0x0地址进行启动，而在大多数应用系统中，为了快速启动，首先将Bootloader程序拷贝到SDRAM中再 运行。一般情况下，这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完成。实际上，由于Bootloader是系统上电后要执行的 第一段程序，Bootloader程序的拷贝和在这之前的所有工作都必须由其自身来完成，而这些指令都是在ROM中执行的。也就是说，这些代码即使不在链 接时所指定的运行时地址空间，也可以正确执行。这就是位置无关代码，它是一段加载到任意地址空间都能正常执行的特殊代码。

位置无关代码常用于以下场合：

◆ 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(如共享的动态链接库)；
◆ 在运行期间不同地址相互之间的映射（如Bootloader程序）。

虽然在用GCC编译时，使用-fPIC选项可为C语言产生位置无关代码，但这并不能修正程序设计中固有的位置相关性缺陷。特别是汇编语言代码，必须由程序员遵循一定的程序设计准则，才能保证程序的位置无关性。

1.2 ARM处理器的位置无关程序设计要点

ARM程序的位置无关可执行文件PIE（PositionIndependent Executable）包括位置无关代码PIC和位置无关数据PID（PositionIndependent 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），为保证程序能在ROM和SDRAM空间都能正确运行（如裸机状态下的Bootloader程序），必须采用位置无关代码程序设计。下面重点介绍PIC的程序设计要点。

PIC遵循只读段位置无关ROPI（ReadOnly Position Independence）的ATPCS（ARMThumb Procedure Call Standard）的程序设计规范：

（1） 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。

① 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：

LDRPC, =main

上面的LDR汇编伪指令编译后的结果为：

LDRPC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]?
LPOOLDCD main

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。

② 位置无关的常量访问。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PXA270的GPIO初始化介绍位置无关的常量访问方法。

GPIO_BASEEQU0x40e00000;
GPIO基址寄存器地址GPDR0EQU0x00c;相对于GPIO基址寄存器的偏移量
init_GPDR0EQU0xfffbfe00;寄存器GPDR0初值
LDRR1, =GPIO_BASE
LDRR0, =init_GPDR0
STRR0, [R1, #GPDR0]

上述汇编代码段经编译后的结果为：

LDRR1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
LDRR0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
STRR0, [R1, #0xc]?
GPIO_BASEDCD0x40e00000
GPDR0DCD0x00c
init_GPDR0DCD0xfffbfe00

可见，LDR伪指令实际上使用基于PC的偏移量来对符号常量GPIO_BASE和init_GPDR0进行引用，因而是位置无关的。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。

（2） 程序设计规范2

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“LDRPC, =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“Bmain”，那么只会跳转到启动ROM内部的main函数入口。

2 位置无关代码在Bootloader设计中的应用

在使用GNU工具开发Bootloader时，程序在链接时会通过一个链接脚本（linker script）来设定映像文件的内存映射。一个简单的链接脚本结构如下：

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS {
. = BOOTADDR;/*Bootloader的起始地址*/
__boot_start = .;
.textALIGN(4): {/*代码段.text*/
*(.text)
}
.dataALIGN(4): {/*数据段.data*/
*(.data)
}
.gotALIGN(4): {/*全局偏移量表.got段*/
*(.got)
}
__boot_end = .;/*Bootloader映像文件的结束地址*/
.bssALIGN(16): {/*堆栈段.bss*/
__bss_start = .;
*(.bss)
__bss_end =.;
}
}

这里不再介绍链接脚本的语法。需要指出的是，链接脚本中所描述的输出段地址为虚拟地址VMA（Virtual Memory Address）。这里的“虚拟地址”仅指映像文件执行时，各输出段所重定位到相应的存储地址空间，与内存管理无关。因此，上面的链接脚本实际上指定了 Bootloader映像在执行时，将被重定位到BOOTADDR开始的存储地址空间，以保证在相关位置对符号进行正确引用，使程序正常运行。

ARM处理器复位后总是从0x0地址取第1条指令，因此只需把BOOTADDR设置为0，再把编译后生成的可执行二进制文件下载到ROM的 0x0地址开始的存储空间，程序便可正常引导；但是，一旦在链接时指定映像文件从0x0地址开始，那么Bootloader就只能在0x0地址开始的 ROM空间内运行，而无法拷贝到SDRAM空间运行实现快速引导。当然，对PXA270等具有MMU功能的微处理器来说，虽然可以先将 Bootloader映像整个拷贝到SDRAM中，再使用MMU功能将SDRAM空间映射到0x0地址，进而继续在SDRAM中运行；但这样一方面会使得 Bootloader的设计与实现复杂化，另一方面在一些必须屏蔽MMU功能的应用中（例如引导armlinux系统），无法使用MMU进行地址重映射。

利用ARM的基于位置无关的程序设计可以解决上述问题。只需在程序链接时，将BOOTADDR设置为SDRAM空间的地址（一般情况 下利用 SDRAM中最高的1 MB存储空间作为起始地址），这样ARM处理器上电复位后Bootloader仍然可以从地址0开始执行，并将自身拷贝到指定的__boot_start 起始的SDRAM中运行。实现上述功能的链接脚本所对应的启动代码架构如下：

.section .text
.globl _start
_start:
Breset/*复位异常*/
/*其他异常处理代码*/
reset:
/*复位处理程序*/
copy_boot:/*拷贝Bootloader到SDRAM*/
LDRR0, =0x0LDRR1, =__boot_start
LDRR2, =__boot_end
1:LDRMIA R0!, { R3-R10 }
STRMIA R1!, { R3-R10 }
CMPR1, R2
BLT1b
clear_bss:
/*清零.bss段*/
BL
init_Stack/*初始化堆栈*/
LDRPC, = main/*跳转到阶段2的C程序入口*/
.end

程序入口为_start，即复位异常，所有其他异常向量都使用相对跳转指令B来实现，以保证位置无关特性。在完成基本的硬件初始化后，利用链接脚本传递 过来__boot_start和__boot_end的参数，将Bootloader映像整个拷贝到指定的SDRAM空间，并清零.bss段，初始化堆栈 后，程序将main函数入口的绝对地址赋给PC，进而跳转到SDRAM中继续运行。程序在跳转到main函数之前，所有的代码都在ROM中运行，因而必须 要保证代码的位置无关性，所以在调用初始化GPIO、存储系统和堆栈等子程序时，都使用相对跳转指令来完成。

使用位置无关设计Bootloader程序有如下优点：

① 简化设计，方便实现系统的快速引导。位置无关代码可以避免在引导时进行地址映射，并方便地跳转到SDRAM中实现快速引导。


② 实现复位处理智能化。由于位置无关代码可以被加载到任意地址空间运行，因此其运行时的当前地址与链接时所指派的地址并不一定相同。利用这一特性，可以在复 位处理程序中使处理器进入SVC模式并关闭中断后加入如下代码，便可根据当前运行时的地址进行不同的复位处理：

ADRR0, _start/*读取当前PC附近的_start标号所在指令地址*/
LDRR1,=__boot_start/*读取Bootloader在SDRAM的起始地址*/
CMPR0,R1
BEQclear_bss

上述代码中的ADR指令读取的_start标号地址由指令的执行地址决定。若是从SDRAM中的Bootloader启动，则上述比较结果相等，程序直 接跳转到clear_bss标号地址处执行，这样可以避免存储系统的重新初始化和Bootloader的拷贝过程；若是上电或硬件复位，程序从 ROM启动，则上述比较结果不等，程序便进行包括系统初始化和Bootloader拷贝等过程的全面复位处理操作。

③ 便于调试。Bootloader的调试通常也是一个繁琐的过程，使用位置无关代码，则可以将映像文件加载到SDRAM中进行调试，这既能真实地反映程序从ROM中进行系统引导的情况，又可以避免频繁烧写程序存储器。

3 结论

本文所介绍的基于位置无关的程序设计是通过基于PC或基址寄存器的符号引用规范来实现的。这种方法在实际系统开发中应用广泛，既能用于引导程序的设计， 也可用于一般的应用程序或嵌入式共享库的开发。而在Bootloader的设计中引入位置无关代码，可以使程序结构更为简单清晰，并能避免地址重映射并从 SDRAM进行快速系统引导；引用位置无关的设计方法使Bootloader的复位处理功能更为灵活，还使得在SDRAM中和在ROM中进行程序调试具有 相同的效果。