第013课 代码重定位
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第001节_段的概念_重定位的引入
S3C2440的CPU可以直接给SDRAM发送命令、给Nor Flash发送命令、给4K的片上SDRAM发送命令，但是不能直接给Nand Flsh发送命令
假如把程序烧写到Nand Flsh上，即向Nand Flsh烧入** bin** 文件，CPU是无法从Nand Flsh中取代码执行的。
为什还可以使用NAND启动？
- 上电后，Nand启动硬件会自动把Nand Flsh前4K复制到SRAM；
- CPU从0地址运行SRAM；
如果我的程序大于4K怎么办？
前4K的代码需要把整个程序读出来放到SDRAM(即代码重定位)。
如果从Nor Flash启动，会出现什么问题？
将拨动开关拨到Nor Flash启动时，此时CPU认为的** 0地址 **在Nor Flash上面，片内内存SRAM的基地址就变成了0x40000000(Nand启动时片内内存SRAM的基地址基地址是0)，由于Nor Flash特性：**可以像内存一样读，但不能像内存直接写**，因此需要把全局变量和静态变量重定位 放到SDRAM里。
例如执行如下几条汇编指令
MOV R0, #0 LDR R1, [R0] @读有效 STR R1, [R0] @写无效
当程序中含有需要写的全局变量或静态变量时，假如是在Nand Flash可以正常操作，如果是在Nor Flash，修改无效。因此我们需要把全局变量和静态变量重定位 放到SDRAM
#include "s3c2440_soc.h"
#include "uart.h"
#include "init.h"
char g_Char = 'A'; ／／定义一个全局变量
const char g_Char2 = 'B'; //定义固定的全局变量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void)
{
uart0_init();
while (1)
{
putchar(g_Char); /＊让g_Char输出＊／
g_Char++; /* nor启动时, 此代码无效 */
delay(1000000);
}
return 0;
}
编译运行查看是否有效果
查看sdram.dis文件 发现data数据段放在了0x00008474这个地址导致 程序太大
在makefile中加入这么一句话
arm-linux-ld -Ttext 0 ** -Tdata 0x800 ** start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf
16进制的800就是十进制的2048 这时我们的bin文件就变为2049
烧写程序
烧写在NORFlash 烧写在NANDFlash观察这两种的效果
设置成NANDFlash启动没有问题 显示ABCDE... 设置成NORFlash启动显示AAA... 对于NOR启动时g_Char++; /* nor启动时, 此代码无效 */
Disassembly of section .data:
00000800 <__data_start>:
800: Address 0x800 is out of bounds. //数据段
Disassembly of section .rodata:
//放在只读数据段内
00000474 <g_Char2>: //const char g_Char2 = 'B';
474: Address 0x474 is out of bounds.
Disassembly of section .bss: //bss段
00000804 <g_A>: //int g_A = 0;
804: 00000000 andeq r0, r0, r0
00000808 <g_B>: //int g_B;
808: 00000000 andeq r0, r0, r0
Disassembly of section .comment:
一个程序里面有
- .text 代码段
- .data 数据段
- rodata 只读数据段(const全局变量)
- bss段 (初始值为0，无初始值的全局变量)
- commen 注释
其中bss段和commen 注释不保存在bin文件中。
第002节_链接脚本的引入与简单测试
前面程序运行，发现从Nand Flash启动和从Nor Flash启动表现是不一样的。
设置成Nand Flash启动没有问题 显示ABCDE...
设置成NOor Flash启动则显示AAA...
这是什么原因呢？
假如现在是Nor启动：
Nor Flash就被认为是0地址，g_Char被放在0x800后面。CPU上电后从0地址开始执行，它能读取Nor Flash上的代码，打印出A，当进行g_Char++的时候，写操作操作无效，下次读取的数据仍然是A。
假如现在是Nor启动：
上电后，Nand Flash前4K代码就被自动的复制到SRAM里面，SRAM是CPU认为的0地址。CPU上电后从0地址开始执行，它读取SRAM上的代码，并g_Char++修改变量，下次读取的数据就依次增加了。
为了解决Nor Flash里面的变量不能写的问题，我们把变量所在的数据段放在SDRAM里面，看行不行。
修改Makefile 指定数据段为0x30000000 `-Tdata 0x30000000`:
arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000 start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf
这样的话编译出来的bin文件 从0地址 到 0x30000000地址 文件大小有800多MB，代码段和数据段直接有间隔，称之为黑洞。
解决黑洞有两个办法：
- 第一个方法
- 把数据段的g_Char和代码段靠在一起；
- 烧写在Nor Flash上面；
- 运行时把g_char(全局变量)复制到SDRAM，即0x3000000位置(重定位)；
- 第二个方法
- 让文件直接从0x30000000开始，全局变量在0x3......；
- 烧写Nor Flash上 0地址处；
- 运行会把整个代码段数据段(整个程序)从0地址复制到SDRAM的0x30000000(重定位)；
这两个方法的区别是前者只重定位了数据段，后者重定位了数据段和代码段。
参考文档 Using LD, the GNU linker http://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/ld-2.9.1/html_mono/ld.html
第一种办法如何实现 修改Makefile的代码段地址，使用链接脚本sdram.lds指定。
#arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000 start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf
arm-linux-ld -T sdram.lds start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf
链接脚本的语法：
SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
{ contents } >region :phdr =fill
...
}
我们需要依次排列 代码段、只读数据段、数据段、.bss段、.common。
其中数据段放在0x800,但运行时在0x3000000：
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }//所有文件的.text
.rodata : { *(.rodata) } //只读数据段
.data 0x30000000 : AT(0x800) { *(.data) } //放在0x800,但运行时在0x3000000
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }//所有文件的bss段，所有文件的.COMMON段
}
重新编译后烧写bin文件，发现启动后显示乱码。原因是我们从0x30000000处获取g_Char，但在这之前，并没有在0x30000000处准备好数据。因此需要重定位数据段，将0x800的数据移动到0x30000000处，在start.S加入：
bl sdram_init /* 重定位data段 */ mov r1, #0x800 ldr r0, [r1] mov r1, #0x30000000 str r0, [r1] bl main
上面的这种方法，只能复制0x800处的一位数据，不太通用，下面写一个更加通用的复制方法：
链接脚本修改如下：
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }
.rodata : { *(.rodata) }
.data 0x30000000 : AT(0x800)
{
data_load_addr = LOADADDR(.data);
data_start = . ;//等于当前位置
*(.data) //等于数据段的大小
data_end = . ;//等于当前位置
}
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
}
修改start.S
bl sdram_init
/* 重定位data段 */
ldr r1, =data_load_addr /* data段在bin文件中的地址, 加载地址 */
ldr r2, =data_start /* data段在重定位地址, 运行时的地址 */
ldr r3, =data_end /* data段结束地址 */
cpy:
ldrb r4, [r1] //从r1读到r4
strb r4, [r2] //r4存放到r2
add r1, r1, #1 //r1+1
add r2, r2, #1 //r2+1
cmp r2, r3 //r2 r3比较
bne cpy //如果不等则继续拷贝
bl main
第003节_链接脚本的解析
链接脚本的语法
SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
{ contents } >region :phdr =fill
...
}
解释：
secname ：段名
start ：起始地址：运行时的地址(runtime addr)；重定位地址(relocate addr)
AT ( ldadr ) ：可有可无(load addr:加载地址) 不写时LoadAddr = runtime addr
{ contents } 的内容：
start.o //内容为start.o文件
*（.text）所有的代码段文件
start.o *(.text)文件
elf文件格式
1 链接得到elf文件，含有地址信息(load addr)
2 使用加载器
2.1 对于裸板是JTAG调试工具
2.2 对于APP，加载器也是APP 把elf文件解析读入内存的加载地址
3 运行程序
4 如果loadaddr != runtimeaddr程序本身要重定位
核心程序运行时应该位于 runtimeaddr（reloate addr）或者链接地址
bin文件 1 elf生成bin文件 2 硬件机制启动 3 如果bin文件所在位置 不等于runtimeaddr ，程序本身实现重定位
bin文件/elf文件都不保存bss段 这些都是初始值为0 或者没有初始化的全局变量
程序运行时把bss段对应的空间清零
做个实验，把全局变量g_A以16进制打印出来
/* 0xABCDEF12 */
void printHex(unsigned int val)
{
int i;
unsigned char arr[8];
/* 先取出每一位的值 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
arr[i] = val & 0xf;
val >>= 4; /* arr[0] = 2, arr[1] = 1, arr[2] = 0xF */
}
/* 打印 */
puts("0x");
for (i = 7; i >=0; i--)
{
if (arr[i] >= 0 && arr[i] <= 9)
putchar(arr[i] + '0');
else if(arr[i] >= 0xA && arr[i] <= 0xF)
putchar(arr[i] - 0xA + 'A');
}
}
//打印初始值为0的变量
int g_A = 0;
int g_B;
int main(void)
{
uart0_init();
puts("\n\rg_A = ");
printHex(g_A);
puts("\n\r");
上述代码，没有清理bss段 g_A等于莫名奇妙的值 并不等于0 所以需要清理bss段
修改lds链接文件
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }
.rodata : { *(.rodata) }
.data 0x30000000 : AT(0x800)
{
data_load_addr = LOADADDR(.data);
data_start = . ;
*(.data)
data_end = . ;
}
bss_start = .; //bss开始地址是当前位置
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
bss_end = .; //bss结束地址也是当前位置
}
修改start.s，清除bss段
/* 清除BSS段 */
ldr r1, =bss_start
ldr r2, =bss_end
mov r3, #0
clean:
strb r3, [r1]
add r1, r1, #1
cmp r1, r2
bne clean
bl main
halt:
b halt
现在的代码全局变量就是为0，通过几行代码，就可以少几十个甚至上千个全局变量的存储空间。
第004节_拷贝代码和链接脚本的改进
本节进行拷贝代码的改进和链接脚本的改进。
前面重定位时，需要ldrb命令从的Nor Flash读取1字节数据，再用strb命令将1字节数据写到SDRAM里面。
cpy:
ldrb r4, [r1] /*首先从flash读出一个字节*/
strb r4, [r2] /*让后把数据写到SDRAM*/
add r1, r1, #1
add r2, r2, #1
cmp r2, r3
bne cpy
JZ2440上的Nor Flash是16位，SDRAM是32位。
假设现在需要复制16byte数据，
采用ldrb命令每次只能加载1byte，因此CPU需要发出16次命令，内存控制器每次收到命令后，访问硬件Nor Flash，因此需要访问硬件16次；
同理，访问SDRAM时，CPU需要执行strb 16次，内存控制器每次收到命令后，访问硬件SDRAM，也要16次，这样总共访问32次。
现在对其进行改进，使用ldr从Nor Flash中读，ldr命令每次加载4字节数据，因此CPU只需执行4次，但由于Nor Flash是16位的，内存控制器每次收到CPU命令后，需要拆分成两次访问，因此需要访问硬件8次；
使用str写SDRAM，CPU只需执行4次，内存控制器每次收到命令后，直接硬件访问32位的SDRAM，因此这里只需要4次，这样总共访问只需要12次。
在整个操作中，花费时间最长的就是硬件访问，改进后代码，减少了硬件访问的次数，极大的提高了效率。
根据上面原理修改代码，修改start.S：
cpy:
ldr r4, [r1]
str r4, [r2]
add r1, r1, #4 //r1加4
add r2, r2, #4 //r2加4
cmp r2, r3 //如果r2 =< r3继续拷贝
ble cpy
/* 清除BSS段 */
ldr r1, =bss_start
ldr r2, =bss_end
mov r3, #0
clean:
str r3, [r1]
add r1, r1, #4
cmp r1, r2 //如果r1 =< r2则继续拷贝
ble clean
bl main
然后编译烧写，发现启动后没有输出字符。修改主程序，尝试以整数格式输出字符，发现输出的数从0开始，应该是 全局变量被破坏了。
屏蔽掉start.S里面的清理命令，测试是否是清除bss段是清除了全局变量。
clean:
//str r3, [r1] //注释掉此句话，str不仅把bss段清除，把全局变量这些也清除了
add r1, r1, #4
cmp r1, r2
ble clean
bl main
屏蔽后，正常输出，锁定了问题大致位置。查看反汇编文件，原来是没有向4取整。 修改链接脚本让bss段，使用`ALIGN(4)`向4取整。
SECTIONS {
.text 0 : { *(.text) }
.rodata : { *(.rodata) }
.data 0x30000000 : AT(0x800)
{
data_load_addr = LOADADDR(.data);
. = ALIGN(4);
data_start = . ;
*(.data)
data_end = . ;
}
. = ALIGN(4);//让当前地址向4对齐
bss_start = .;
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
bss_end = .;
}
现在重新编译烧写，测试结果正常。 再次查看反汇编文件，发现现在bss段以4字节对齐，清理bss段也是正常的。
Disassembly of section .bss:
30000004 <g_A>:
30000004: 00000000 andeq r0, r0, r0
30000008 <g_B>:
30000008: 00000000 andeq r0, r0, r0
Disassembly of section .comment:
同样的问题也会出在代码重定位这里，如何保证data段起始地址也是向4对齐呢？ 也是使用ALIGN(4)向4取整。
SECTIONS
{
. = 0x30000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
_end = .;
}
Uboot是裸机的集大成者，可以参考uboot链接脚本也是类似的。
- 第005节_代码重定位与位置无关码 #
一个程序，由代码段、只读数据段、数据段、bss段等组成。 程序一开始可以烧在Nor Flash上面，运行时代码段仍可以在Nor Flash运行，但对于数据段，就必须把数据段移到SDRAM中，因为只要在SDRAM里面，数据段的变量才能被写操作，把程序从一个位置移动到另一个位置，把这个过程就称为**重定位**。 前面的例子，我们只是重定位了数据段，这里我们再尝试重定位整个代码。
先梳理下把整个程序复制到SDRAM需要哪些技术细节：
1. 把程序从Flash复制到运行地址，链接脚本中就要指定运行地址为SDRAM地址；
2. 编译链接生成的bin文件，需要在SDRAM地址上运行，但上电后却必须先在0地址运行，这就要求重定位之前的代码与位置无关(是位置无关码)；
参考Uboot修改链接脚本：
SECTIONS
{
. = 0x30000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
_end = .;
}
现在我们写的这个链接脚本，称为一体式链接脚本，对比前面的分体式链接脚本区别在于代码段和数据段的存放位置是否是分开的。例如现在的一体式链接脚本的代码段后面依次就是只读数据段、数据段、bss段，都是连续在一起的。分体式链接脚本则是代码段、只读数据段，中间相关很远之后才是数据段、bss段。
我们以后的代码更多的采用一体式链接脚本，原因如下：
1. 分体式链接脚本适合单片机，单片机自带有flash，不需要再将代码复制到内存占用空间。而我们的嵌入式系统内存非常大，没必要节省这点空间，并且有些嵌入式系统没有Nor Flash等可以直接运行代码的Flash，就需要从Nand Flash或者SD卡复制整个代码到内存；
2. JTAG等调试器一般只支持一体式链接脚本；
修改start.S段
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
mov r1, #0
ldr r2, =_start /* 第1条指令运行时的地址 */
ldr r3, =__bss_start /* bss段的起始地址 */
cpy:
ldr r4, [r1]
str r4, [r2]
add r1, r1, #4
add r2, r2, #4
cmp r2, r3
ble cpy
/* 清除BSS段 */
ldr r1, =__bss_start
ldr r2, =_end
mov r3, #0
clean:
str r3, [r1]
add r1, r1, #4
cmp r1, r2
ble clean
bl main
halt:
b halt
将修改后的代码重新编译烧写在Nor Flash上，上电运行。
对本代码的启动情况进行分析:
在生成的bin文件里，代码保存的位置是0x30000000。随后烧写到NOR Flash的0地址，但代码的结构没有变化。之后再重定位到SDRAM。
查看反汇编：
3000005c: eb000106 bl 30000478 <sdram_init>
30000060: e3a01000 mov r1, #0 ; 0x0
30000064: e59f204c ldr r2, [pc, #76] ; 300000b8 <.text+0xb8>
30000068: e59f304c ldr r3, [pc, #76] ; 300000bc <.text+0xbc>
这里的`bl 30000478`不是跳转到30000478，这个时候sdram并未初始化;
为了验证，我们做另一个实验，修改连接脚本sdram.lds, 链接地址改为0x32000478，编译，查看反汇编：
3000005c: eb000106 bl 30000478 <sdram_init>
30000060: e3a01000 mov r1, #0 ; 0x0
30000064: e59f204c ldr r2, [pc, #76] ; 300000b8 <.text+0xb8>
30000068: e59f304c ldr r3, [pc, #76] ; 300000bc <.text+0xbc>
可以看到现在变成了`bl 30000478`,但两个的机器码`eb000106`都是一样的，机器码一样，执行的内容肯定都是一样的。 因此这里并不是跳转到显示的地址，而是跳转到: pc + offset，这个由链接器决定。
假设程序从0x30000000执行，当前指令地址：0x3000005c ,那么就是跳到0x30000478；如果程序从0运行，当前指令地址:0x5c 调到：0x00000478
跳转到某个地址并不是由bl指令所决定，而是由当前pc值决定。反汇编显示这个值只是为了方便读代码。
重点： 反汇编文件里， B或BL 某个值，只是起到方便查看的作用，并不是真的跳转。
怎么写位置无关码？
- 使用相对跳转命令 b或bl;
- 重定位之前，不可使用绝对地址，不可访问全局变量/静态变量，也不可访问有初始值的数组(因为初始值放在rodata里，使用绝对地址来访问)；
- 重定位之后，使用ldr pc = xxx，跳转到/runtime地址；
写位置无关码，其实就是不使用绝对地址，判断有没有使用绝对地址，除了前面的几个规则，最根本的办法看反汇编。
因此，前面的例子程序使用bl命令相对跳转，程序仍在NOR/sram执行，要想让main函数在SDRAM执行，需要修改代码：
//bl main /*bl相对跳转，程序仍在NOR/sram执行*/ ldr pc, =main/*绝对跳转，跳到SDRAM*/
第006节_重定位_清除BSS段的C函数实现
在前面，我们使用汇编程序来实现了重定位和清bss段，本节我们将使用C语言，实现重定位和清除bss段。
1.打开start.S把原来的汇编代码删除改为调用C函数
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
mov r1, #0
ldr r2, =_start /* 第1条指令运行时的地址 */
ldr r3, =__bss_start /* bss段的起始地址 */
cpy:
ldr r4, [r1]
str r4, [r2]
add r1, r1, #4
add r2, r2, #4
cmp r2, r3
ble cpy
/* 清除BSS段 */
ldr r1, =__bss_start
ldr r2, =_end
mov r3, #0
clean:
str r3, [r1]
add r1, r1, #4
cmp r1, r2
ble clean
改为
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
mov r0, #0
ldr r1, =_start /* 第1条指令运行时的地址 */
ldr r2, =__bss_start /* bss段的起始地址 */
sub r2, r2, r1 /*长度*/
bl copy2sdram /* src, dest, len */
/* 清除BSS段 */
ldr r0, =__bss_start
ldr r1, =_end
bl clean_bss /* start, end */
2. 在init.c 实现如上两个C函数
void copy2sdram(volatile unsigned int *src, volatile unsigned int *dest, unsigned int len) /* src, dest, len */
{
unsigned int i = 0;
while (i < len)
{
*dest++ = *src++;
i += 4;
}
}
void clean_bss(volatile unsigned int *start, volatile unsigned int *end) /* start, end */
{
while (start <= end)
{
*start++ = 0;
}
}
汇编中，为C语言传入的参数，依次就是R1、R2、R3。 编译，烧写运行没有问题。
我们假设不想汇编传入参数，而是C语言直接取参数。 1. 修改start.S 跳转到C函数不需要任何参数
bl sdram_init
//bl sdram_init2 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
bl copy2sdram
/* 清除BSS段 */
bl clean_bss
2. 修改链接脚本，让__code_start 等于当前地址，也就是这里的0x30000000
SECTIONS
{
. = 0x30000000;
__code_start = .; //定义__code_start地址位当前地址
. = ALIGN(4);
.text :
{
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
_end = .;
}
3.修改init.c 用函数来获取参数
void copy2sdram(void)
{
/* 要从lds文件中获得 __code_start, __bss_start
* 然后从0地址把数据复制到__code_start
*/
extern int __code_start, __bss_start;//声明外部变量
volatile unsigned int *dest = (volatile unsigned int *)&__code_start;
volatile unsigned int *end = (volatile unsigned int *)&__bss_start;
volatile unsigned int *src = (volatile unsigned int *)0;
while (dest < end)
{
*dest++ = *src++;
}
}
void clean_bss(void)
{
/* 要从lds文件中获得 __bss_start, _end
*/
extern int _end, __bss_start;
volatile unsigned int *start = (volatile unsigned int *)&__bss_start;
volatile unsigned int *end = (volatile unsigned int *)&_end;
while (start <= end)
{
*start++ = 0;
}
}
编译烧写运行 ，没有问题。
总结:
C函数怎么使用lds文件总的变量abc？
- 在C函数中声明改变量为extern外部变量类型，比如：`extern int abc;`
- 使用时，要取址，比如：`int *p = &abc;//p的只即为lds文件中abc的值`
汇编文件中可以直接使用外部链接脚本中的变量,但C函数中要加上取址符号。
解释一下原因：
C函数中，定义一个全局变量`int g_i;`，程序中必然有4字节的空间留出来给这个变量`g_i`。
假如我们的lds文件中有很多变量
lds{
a1 = ;
a2 = ;
a3 = ;
...
}
如果我们C程序只用到几个变量，完全没必要全部存储lds里面的所有变量，C程序是不保存lds中的变量的。
对于万一要用到的变量，编译程序时，有一个symbol table符号表：
如何使用symbol table符号表？
- 对于常规变量g_i，得到里面的值，使用&g_i得到addr；
- 为了保持代码的一致，对于lds中的a1，使用&a1得到里面的值;
这只是一个编译器的小技巧，不用深究。
结论：
- C程序中不保存lds文件中的变量，lds再大也不影响;
- 借助symbol table保存lds的变量，使用时加上"&"得到它的值，链接脚本的变量要在C程序中声明为外部变量，任何类型都可以；
