位置无关代码（PIC）的思考

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。

    首先来看下面的链接脚本文件：

ENTRY(_start)
  ;指定输出可执行文件的起始代码段为_start.
SECTIONS
{
        .= BOOTADDR ; bootloader的开始地址/
        .= ALIGN(4); 代码以4字节对齐
        .text :;指定代码段
        {
          cpu/arch/start.o (.text) ; bootloader中的text段
          *(.text)                 ;其它text段
        }
        .= ALIGN(4)
        .rodata :{*(.rodata)};指定只读数据段
        .= ALIGN(4);
        .data :{*(.data)};指定读/写数据段
        .= ALIGN(4);
        __bss_start =.; 把__bss_start赋值为当前位置,即bss段的开始位置
        .bss :{*(.bss)}; 指定bss段
        _end =.; 把_end赋值为当前位置,即bss段的结束位置
}

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（VirtualMemoryAddress）。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，与映像文件烧写到的实际的地址无关（即映像的加载地址）。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。

假设这里指定BOOTADDR= 0x0。以ARM为例，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，搬运代码最后的跳转语句可以写成绝对地址，如jmp 0x10000，这样可以正确的跳到RAM中的0x10000地址处，但当执行继续执行碰到其他符号地址计算，或全局数据访问的时候，由于此时不是位置无 关代码，此时地址的计算需要查询map表，但是map表中的地址仍然在ROM空间中，所以还会跳回ROM空间，另外，还会有其他问题，如动态内存申请等。

有了位置无关代码，只需修改链接脚本文件的 BOOTADDR=0x10000即可，即将整个镜像文件都映射到RAM空间，但是bootloader最开始的搬运代码必须是位置无关的代码，这样虽然 搬运代码被映射到RAM地址空间，但它在0x0开始的ROM中也能正确执行，搬运代码最后的跳转语句就可以跳转到某个标号了，因为此时标号的地址已经被映 射到了ram空间，之后的代码执行将没有任何问题。

当然，可以将搬运代码和搬运完成跳转到的代码分段 映射，即搬运代码映射到ROM地址空间，其他代码映射到RAM空间。但是这样会存在一个问题：生成的bin文件变得非常大。生成的bin文件将会按照映射 到地址空间来生成，如果ROM空间与RAM空间地址不连续，假设ROM地址空间为0x0 ~ 0x1000 ， RAM地址空间为0x10000～0x20000，那么， 0x1000～0x10000之间的地址空间都被填充为0，除非在生成bin文件时重新进行拼装。

如何编写位置无关代码呢？

引用同一位置无关段或相对位置固定的另一位置无关段中的符号时，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。使用相对跳转指令实现程序跳转。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。

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。

3. 使用绝对地址进行跳转，一般是在不同的位置无关代码段之间跳转。

最后，总结一下位置无关代码段的优点：

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RAM中实现快速引导

2. 实现复位处理智能化。位置无关的代码可以被加载到任意地址空间运行

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RAM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。