arm位置无关代码设计规范

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参考：ARM的位置无关程序设计在bootloader中的应用.黄振华

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位置无关代码（PIC）在嵌入式系统设计中具有很重要的作用，尤其是在裸机状态下bootloader程序以及进行内核初始化设计；利用PIC也可以构建高效的动态链接库。

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：

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）

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:

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。

• 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：

LDR 　　PC , = main
上面的LDR 汇编伪指令编译后的结果为:
LDR 　　PC , [ PC , OFFSET_ TO_L POOL ]
...
LPOOL 　DCD 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。

• 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。

#define BWSCON 0x48000000

/* BWSCON */
#define DW8    (0x0)
#define DW16    (0x1)
#define DW32    (0x2)

...
_TEXT_BASE:
 .word TEXT_BASE

.globl lowlevel_init
lowlevel_init:
 /* memory control configuration */
 /* make r0 relative the current location so that it */
 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
 ldr     r0, =SMRDATA
 ldr r1, _TEXT_BASE
 sub r0, r0, r1
 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
 add     r2, r0, #13*4
0:
 ldr     r3, [r0], #4
 str     r3, [r1], #4
 cmp     r2, r0
 bne     0b

 /* everything is fine now */
 mov pc, lr

 .ltorg
/* the literal pools origin */

...

    .word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
    .word 0x32
    .word 0x30
    .word 0x30

汇编反汇编后
lowlevel_init.o:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <_TEXT_BASE>:
   0: 00000000  andeq r0, r0, r0

00000004 :
   4: e59f0020  ldr r0, [pc, #32] ; 2c <.text+0x2c>
   8: e51f1010  ldr r1, [pc, #-16] ; 0 <_TEXT_BASE>
   c: e0400001  sub r0, r0, r1

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,我做了以下修改

-T board/smdk2410/U-Boot.lds -Ttext 0x33f80000
...
SECTIONS
{
  . = 0x00000000;
...
}

来自cpu/arm920t/start.S
relocate:
  adr r0, _start
  ldr r1, _TEXT_BASE
  cmp r0, r1
  beq stack_setup

    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, pc, #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。 

上面的代码的修改如下也行！

T board/smdk2410/U-Boot.lds
...
SECTIONS
{
  . = 0x33f80000;
...
}

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

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文件:	基于“Steppingstone”的Bootloader的设计与优化.pdf
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