位置无关码、位置有关码、链接地址、加载地址

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    在移植 uboot 时，接触到一个概念叫做 位置无关码，那么与它对应的就是位置有关码。提到这两个概念就还得提一提链接地址、加载地址。

    链接地址，链接脚本里指定的，理论上程序运行时所处的地址。在编译时，编译器会根据链接地址来翻译位置有关码。

    加载地址，程序运行时，实际所处的地址。

    位置无关码，位置有关码，是相对于一条指令的正常目的来说的。比如 ldr r0 ,=标号，它的正常目的是取得标号处的地址，对于这个目的，它是位置有关码，运行的地址不对就获取不到正确的标号地址，其实它无论在哪都是获取的程序加载地址等于链接地址时，标号的地址，如果你就是想要这个值，那么用这条指令是非常正确的，就不用理会什么位置无关码，位置有关码的概念了，这一点非常重要。

    因此，当加载地址不等于链接地址时，并不是不可以用位置无关码，而是要看你用位置无关码是否达到了你想要的目的。

    位置无关码，依赖于程序当前运行的PC值，进行相对的跳转，导致的结果就是，无论代码在哪，总能达到指令的正常目的，因此是位置无关的。

    位置有关码，不依赖当前PC值，是绝对跳转，只有程序运行在链接地址处时，才能达到指令的正常目的，因此是位置有关系的。

    下面，我们来看常用的汇编指令以及C语言中哪些操作是位置有关码，哪些是位置无关码。

SECTIONS {
    . = 0x33f80000;
    .text : { *(.text) }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : {*(.rodata*)}

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss)  *(COMMON) }
    __bss_end = .;
}

.text
.global _start
_start:

    bl close_watch_dog      /* 相对跳转，位置无关 */
    bl _start
    adr r0, close_watch_dog /* 获取标号地址，位置无关 */

    ldr r0, SMRDATA         /* 获取标号处的值，位置无关 */

    ldr r0, =0x12345678
    ldr r0, =SMRDATA        /* 获取标号地址，位置有关 */
    ldr r0, =main           /* 获取函数名的地址，位置有关 */
    ldr r0 ,=__bss_start    /* 获取链接脚本里标号的地址，位置有关 */


close_watch_dog:
    mov r1, #0
    str r1, [r0]
    mov pc, lr

SMRDATA:
    .word  0x22111120

int a;
void abc(){
    a = 2;
}
int main(){
    int b;
    a =1 ;
    b =1 ;
    abc();
    return 0;
}

如果加载地址为 0 ，那么代码将按照下面的顺序排放

00000000 <_start>:
00000000:   eb000006    bl  33f80020
00000004:   ebfffffd    bl  33f80000 <_start>
00000008:   e28f0010    add r0, pc, #16
0000000c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;
00000010:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;
00000014:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;
00000018:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;
0000001c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ;

00000020 :
00000020:   e3a01000    mov r1, #0
00000024:   e5801000    str r1, [r0]
00000028:   e1a0f00e    mov pc, lr

0000002c :
0000002c:   22111120    andscs  r1, r1, #8
00000030:   12345678    eorsne  r5, r4, #125829120  ; 0x7800000
00000034:   33f8002c    mvnscc  r0, #44 ; 0x2c
00000038:   33f80064    mvnscc  r0, #100    ; 0x64
0000003c:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

00000040 :
00000040:   e52db004    push    {fp}        ; (str fp, [sp, #-4]!)
00000044:   e28db000    add fp, sp, #0
00000048:   e59f3010    ldr r3, [pc, #16]   ; 33f80060
0000004c:   e3a02002    mov r2, #2
00000050:   e5832000    str r2, [r3]
00000054:   e28bd000    add sp, fp, #0
00000058:   e8bd0800    pop {fp}
0000005c:   e12fff1e    bx  lr
00000060:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

00000064 :
00000064:   e92d4800    push    {fp, lr}
00000068:   e28db004    add fp, sp, #4
0000006c:   e24dd008    sub sp, sp, #8
00000070:   e59f3024    ldr r3, [pc, #36]   ; 33f8009c
00000074:   e3a02001    mov r2, #1
00000078:   e5832000    str r2, [r3]
0000007c:   e3a03001    mov r3, #1
00000080:   e50b3008    str r3, [fp, #-8]
00000084:   ebffffed    bl  33f80040
00000088:   e3a03000    mov r3, #0
0000008c:   e1a00003    mov r0, r3
00000090:   e24bd004    sub sp, fp, #4
00000094:   e8bd4800    pop {fp, lr}
00000098:   e12fff1e    bx  lr
0000009c:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

如果加载地址为0x33f80000 则按照下边的顺序排放

33f80000 <_start>:
33f80000:   eb000006    bl  33f80020
33f80004:   ebfffffd    bl  33f80000 <_start>
33f80008:   e28f0010    add r0, pc, #16
33f8000c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ; 33f8002c
33f80010:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ; 33f80030
33f80014:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ; 33f80034
33f80018:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ; 33f80038
33f8001c:   e59f0018    ldr r0, [pc, #24]   ; 33f8003c

33f80020 :
33f80020:   e3a01000    mov r1, #0
33f80024:   e5801000    str r1, [r0]
33f80028:   e1a0f00e    mov pc, lr

33f8002c :
33f8002c:   22111120    andscs  r1, r1, #8
33f80030:   12345678    eorsne  r5, r4, #125829120  ; 0x7800000
33f80034:   33f8002c    mvnscc  r0, #44 ; 0x2c
33f80038:   33f80064    mvnscc  r0, #100    ; 0x64
33f8003c:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

33f80040 :
33f80040:   e52db004    push    {fp}        ; (str fp, [sp, #-4]!)
33f80044:   e28db000    add fp, sp, #0
33f80048:   e59f3010    ldr r3, [pc, #16]   ; 33f80060
33f8004c:   e3a02002    mov r2, #2
33f80050:   e5832000    str r2, [r3]
33f80054:   e28bd000    add sp, fp, #0
33f80058:   e8bd0800    pop {fp}
33f8005c:   e12fff1e    bx  lr
33f80060:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

33f80064 :
33f80064:   e92d4800    push    {fp, lr}
33f80068:   e28db004    add fp, sp, #4
33f8006c:   e24dd008    sub sp, sp, #8
33f80070:   e59f3024    ldr r3, [pc, #36]   ; 33f8009c
33f80074:   e3a02001    mov r2, #1
33f80078:   e5832000    str r2, [r3]
33f8007c:   e3a03001    mov r3, #1
33f80080:   e50b3008    str r3, [fp, #-8]
33f80084:   ebffffed    bl  33f80040
33f80088:   e3a03000    mov r3, #0
33f8008c:   e1a00003    mov r0, r3
33f80090:   e24bd004    sub sp, fp, #4
33f80094:   e8bd4800    pop {fp, lr}
33f80098:   e12fff1e    bx  lr
33f8009c:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

Disassembly of section .bss:

33f800a0 :
33f800a0:   00000000    andeq   r0, r0, r0

一、B BL指令

    bl close_watch_dog

    33f80000:eb000006bl33f80020

    b 是相对跳转：PC + 偏移值 （PC值等于当前地址+8）

    偏移值：机器码 0xeb000006 低 24位 0x000006 按符号为扩展为 32 位 0x00000006 正数，向后跳转 0x6 个 4字节 也就是 0x1c

    1、加载地址0：0 + 8 + 0x1c = 0x20 正确跳转

    2、加载地址0x3ff80000:0x3ff80000 + 8 + 0x1c = 0x33f80020 正确跳转

    bl _start

    33f80004:ebfffffdbl33f80000 <_start>

    偏移值：机器码 0xebfffffd 低 24位 fffffd 按符号位扩展为 32 位 0xfffffffd 负数(-3)，向前跳转 0x3 个 4字节 也就是 0xc 

    1、加载地址0：4 + 8 - 0xc = 0 正确跳转

    2、加载地址0x3ff80000:0x3ff80004 + 8 + 0xc = 0x33f80000 正确跳转

    通过以上分析，我们知道B是相对跳转，位置无关码，也可以知道为什么32为arm指令集，B的范围为正负32M了，24位去掉1位符号位，恰好等于32M。

二、ADR

    adr r0, close_watch_dog     /* 获取标号处的地址，位置无关 */

    33f80008: e28f0010addr0,  pc,  #16  

    1、加载地址0：0 + 8 + 16 = 0x20 正确

    2、加载地址0x3ff80000:0x3ff80008 + 8 + 16 = 0x33f80020 正确

    adr 获取的是标号处的“实际”地址，标号在哪就是哪个地址，跟位置无关，总能获得想要的值。

三、LDR

    ldr r0, SMRDATA       /* 获取标号处的值，位置无关 */

    33f8000c:e59f0018ldrr0, [pc, #24]; 33f8002c

    1、加载地址0：r0 = c + 8 + 24 = 0x2c 处的值 0x22111120 正确

    2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff8000c + 8 + 24 = 0x33f8002c处的值 0x22111120 正确

    

    ldr r0, =0x12345678   /* 常数赋值，位置无关 */

    33f80010: e59f0018ldrr0, [pc, #24];  33f80030

    1、加载地址0：r0 = 0x10 + 8 + 24 = 0x30 处的值 0x12345678 正确

    2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80010 + 8 + 24 = 0x33f80030处的值 0x12345678 正确

    ldr r0, =SMRDATA            /* 获取标号地址，位置有关 */

    33f80014: e59f0018ldrr0,  [pc, #24];  33f80034

    1、加载地址0：r0 = 0x14 + 8 + 24 = 0x34 处的值 33f8002c 与标号实际地址（2c）不符合，不正确

    2、加载地址0x3ff80000:r0 = 0x3ff80014 + 8 + 24 = 0x33f80034 处的值 33f8002c 正确

    ldr r0, =main/* 获取函数名的地址，位置有关 */
    ldr r0 ,=__bss_start /* 获取链接脚本里标号的地址，位置有关 */

    这俩和 ldr r0, =SMRDATA 一致，位置有关，在0地址处运行不正确。

四、C函数

    1、全局变量

00000040 :
00000040:   e52db004    push    {fp}        ; (str fp, [sp, #-4]!)
00000044:   e28db000    add fp, sp, #0
00000048:   e59f3010    ldr r3, [pc, #16]   ; 33f80060
0000004c:   e3a02002    mov r2, #2
00000050:   e5832000    str r2, [r3]
00000054:   e28bd000    add sp, fp, #0
00000058:   e8bd0800    pop {fp}
0000005c:   e12fff1e    bx  lr
00000060:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

000000a0 :
000000a0:   00000000    andeq   r0, r0, r0

33f80040 :
33f80040:   e52db004    push    {fp}        ; (str fp, [sp, #-4]!)
33f80044:   e28db000    add fp, sp, #0
33f80048:   e59f3010    ldr r3, [pc, #16]   ; 33f80060
33f8004c:   e3a02002    mov r2, #2
33f80050:   e5832000    str r2, [r3]
33f80054:   e28bd000    add sp, fp, #0
33f80058:   e8bd0800    pop {fp}
33f8005c:   e12fff1e    bx  lr
33f80060:   33f800a0    mvnscc  r0, #160    ; 0xa0

33f800a0 :
33f800a0:   00000000    andeq   r0, r0, r0

    r3 为全局变量 a 的地址，a 是存放在 0起始的地址还是0x33f80000起始的地址，它都认为 a 的地址是 0x33f800a0 。因此，C函数中调用全局变量是位置有关码。

    2、函数调用

    33f80084:ebffffedbl33f80040

    由于 main 函数和 abc 函数挨得比较近，在32M范围之内，因此被翻译成了一条 bl 指令，那么与位置无关。

    如果，调用的函数比较远，大于32M的话，我认为是与位置有关系的，这个不再验证了。

    3、局部变量

    局部变量在函数刚开始的地方被压入栈，赋值语句被翻译成：

    33f8007c: e3a03001movr3, #1
    33f80080: e50b3008  str r3, [fp, #-8]

    位置无关