u-boot中bss段的使用

近日在调试uboot时,发现了一个现象,即在relocate_code前如果给未初始化或者初始化值为0的变量赋值的话,则在relocate_code后程序无法正常执行.经过学习,恶补如下知识

BSS段：BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

数据段：数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

代码段：代码段（code segment/text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

堆（heap）：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）

栈(stack)：栈又称堆栈， 是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

在实际分析代码时发现, 
未初始化或者初始化值为0的变量 都是被分配在bss段,包括static标记的,
只是如果是int aaaa;则在bss段中会明确标记出aaaa;
但是如果使用static,则在bss段中不会明确标记,但是会预留出位置

使用int aaaa;
给出u-boot.map相应内容如下:
.bss            0x00000000e00540cc       0x1c
                0x00000000e00540cc                __bss_start = .
 *(.bss)
 .bss           0x00000000e00540cc        0x0 arch/arm/cpu/armv7/start.o
 .bss           0x00000000e00540cc        0x0 arch/arm/cpu/armv7/comip/libcomip.o
 .bss           0x00000000e00540cc        0x0 arch/arm/cpu/armv7/libarmv7.o
 .bss           0x00000000e00540cc        0x8 arch/arm/lib/libarm.o
                0x00000000e00540d0                monitor_flash_len
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 common/libcommon.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 drivers/gpio/libgpio.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 drivers/i2c/libi2c.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 drivers/keypad/libkeypad.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 drivers/mfp/libmfp.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x0 drivers/misc/libmisc.o
 .bss           0x00000000e00540d4        0x8 drivers/mmc/libmmc.o
 .bss           0x00000000e00540dc        0x0 drivers/pmic/libpmic.o
 .bss           0x00000000e00540dc        0x0 drivers/serial/libserial.o
 .bss           0x00000000e00540dc        0x0 drivers/timer/libtimer.o
 .bss           0x00000000e00540dc        0x8 lib/libgeneric.o
                0x00000000e00540dc                ___strtok
 .bss           0x00000000e00540e4        0x4 board/leadcore/lc186x/liblc186x.o
                0x00000000e00540e4                aaaa
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /home/lengyansong/android-kitkat-4.4/bootable/bootloader/uboot/arch/arm/lib/eabi_compat.o
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /opt/prebuild/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.6/bin/../lib/gcc/arm-eabi/4.6.x-google/libgcc.a(_udivsi3.o)
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /opt/prebuild/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.6/bin/../lib/gcc/arm-eabi/4.6.x-google/libgcc.a(_divsi3.o)
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /opt/prebuild/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.6/bin/../lib/gcc/arm-eabi/4.6.x-google/libgcc.a(_dvmd_tls.o)
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /opt/prebuild/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.6/bin/../lib/gcc/arm-eabi/4.6.x-google/libgcc.a(_lshrdi3.o)
 .bss           0x00000000e00540e8        0x0 /opt/prebuild/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.6/bin/../lib/gcc/arm-eabi/4.6.x-google/libgcc.a(_ashldi3.o)
                0x00000000e00540e8                . = ALIGN (0x4)
                0x00000000e00540e8                __bss_end__ = .

将u-boot反汇编后给出
Disassembly of section .rel.dyn:
e00540cc <__rel_dyn_start>:
e00540cc: e0040020 and r0, r4, r0, lsr #32
e00540d0: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
e00540d4: e0040024 and r0, r4, r4, lsr #32
e00540d8: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
e00540dc: e0040028 and r0, r4, r8, lsr #32
e00540e0: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
e00540e4: e004002c and r0, r4, ip, lsr #32

e00540e8: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
e00540ec: e0040030 and r0, r4, r0, lsr r0

注意,aaaa的地址,是在e00540e4,包括bss段的首地址e00540cc是和__rel_dyn_start重叠的,也就是说,在代码中根本就没有给bss段分配空间!
进一步检查u-boot.lds,发现的确如此
.bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {
__bss_start = .;
*(.bss)
. = ALIGN(4);
__bss_end__ = .;
}

可以看到,配置文件中,两个部分的确是放在一起了,可能设计者是为了节省boot ram的空间吧,所以没有给bss段分配空间,
而是在relocate_code时才给bss段分配空间并初始化为0!
start.S中relocate_code后面初始化bss段部分
clear_bss:
#ifdef CONFIG_SPL_BUILD
/* No relocation for SPL */
ldr r0, =__bss_start
ldr r1, =__bss_end__
#else
ldr r0, _bss_start_ofs
ldr r1, _bss_end_ofs
mov r4, r6 /* reloc addr */
add r0, r0, r4
add r1, r1, r4
#endif
mov r2, #0x00000000 /* clear    */

clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop...    */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l

对应的反汇编代码如下
e0040040 <_TEXT_BASE>:
e0040040: e0040000 and r0, r4, r0

e0040044 <_bss_start_ofs>:
e0040044: 000140cc andeq r4, r1, ip, asr #1

e0040048 <_image_copy_end_ofs>:
e0040048: 000140cc andeq r4, r1, ip, asr #1

e004004c <_bss_end_ofs>:
e004004c: 000140e8 andeq r4, r1, r8, ror #1

e0040050 <_end_ofs>:
e0040050: 00014cfc strdeq r4, [r1], -ip

e0040154 :
e0040154: e51f0118 ldr r0, [pc, #-280] ; e0040044 <_end+0xfffeb348>
e0040158: e51f1114 ldr r1, [pc, #-276] ; e004004c <_end+0xfffeb350>
e004015c: e1a04006 mov r4, r6
e0040160: e0800004 add r0, r0, r4
e0040164: e0811004 add r1, r1, r4
e0040168: e3a02000 mov r2, #0


e004016c :
e004016c: e5802000 str r2, [r0]
e0040170: e2800004 add r0, r0, #4
e0040174: e1500001 cmp r0, r1
e0040178: 1afffffb bne e004016c

这个也和实际log一致

void print_info(void)
{
extern ulong _start;
printf("_bss_start_ofs:%lx, _bss_end_ofs:%lx, length:%lx\n",_bss_start_ofs,_bss_end_ofs,_bss_end_ofs-_bss_start_ofs);
printf("start:%lx, _TEXT_BASE:%lx, aaaa:%p, aaaa-start=%lx,aaaa=%x\n",_start, _TEXT_BASE, &aaaa, &aaaa-_start,aaaa);
}
分别在relocate_code前后调用,输出log如下

[  149704]{    3328}_bss_start_ofs:140cc, _bss_end_ofs:140e8, length:1c

[  156793]{    7089}start:ea000014, _TEXT_BASE:e0040000, aaaa:e00540e4, aaaa-start=38054094,aaaa=e004002c

[  185762]{    2597}addr_sp:0x3ffb0cb0, id:3ffb0cc0, addr:0x3ffdb000
relocate_code...
[  196513]{   13348}_bss_start_ofs:140cc, _bss_end_ofs:140e8, length:1c
[  203449]{    6936}start:ea000014, _TEXT_BASE:e0040000, aaaa:3ffef0e4, aaaa-start=97fef094,aaaa=0


删除上述黑体部分配置后变成如下形式:
.bss   : {
__bss_start = .;
*(.bss)
. = ALIGN(4);
__bss_end__ = .;
}

可以看到反汇编后的bss已经单独分配了地址,和__rel_dyn_start分开了
e0040040 <_TEXT_BASE>:
e0040040: e0040000 and r0, r4, r0

e0040044 <_bss_start_ofs>:
e0040044: 00014cfc strdeq r4, [r1], -ip

e0040048 <_image_copy_end_ofs>:
e0040048: 000140cc andeq r4, r1, ip, asr #1

e004004c <_bss_end_ofs>:
e004004c: 00014d18 andeq r4, r1, r8, lsl sp

e0040050 <_end_ofs>:
e0040050: 00014cfc strdeq r4, [r1], -ip

Disassembly of section .rel.dyn:

e00540cc <__rel_dyn_start>:
e00540cc: e0040020 and r0, r4, r0, lsr #32
e00540d0: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0

...
...
e0054c30: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
e0054c34: e005307c and r3, r5, ip, ror r0
e0054c38: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0

Disassembly of section .bss:

e0054cfc <__bss_start>:
e0054cfc: 00000000 andeq r0, r0, r0

e0054d00 :
e0054d00: 00000000 andeq r0, r0, r0

e0054d04 :
...

e0054d0c <___strtok>:
e0054d0c: 00000000 andeq r0, r0, r0

e0054d10 :
e0054d10: 00000000 andeq r0, r0, r0

e0054d14 :
e0054d14: 00000000 andeq r0, r0, r0

在relocat之前调用
print_info();
aaaa=1;
print_info();
则输出log如下:
[  149678]{    3328}_bss_start_ofs:14d1c, _bss_end_ofs:14d38, length:1c
[  156767]{    7089}start:ea000014, _TEXT_BASE:e0040000, aaaa:e0054d34, aaaa-start=38054ce4,aaaa=5ed75762  //这里bss还没有初始化过
[  167158]{   10391}_bss_start_ofs:14d1c, _bss_end_ofs:14d38, length:1c
[  174247]{    7089}start:ea000014, _TEXT_BASE:e0040000, aaaa:e0054d34, aaaa-start=38054ce4,aaaa=1   //这里赋值为1
[  202533]{    2597}addr_sp:0x3ffb0cb0, id:3ffb0cc0, addr:0x3ffdb000
relocate_code...
[  213281]{   13345}_bss_start_ofs:14d1c, _bss_end_ofs:14d38, length:1c
[  220218]{    6937}start:ea000014, _TEXT_BASE:e0040000, aaaa:3ffefd34, aaaa-start=97fefce4,aaaa=0  // 这里在relocate时被清0了.