位置无关码

ARM下的位置无关和相关码

为什么需要位置无关码?

　　见 :

　　U-BOOT详解(什么是《编译地址》？什么是《运行地址》？)  http://bbs.21ic.com/forum.php?mod=viewthread&tid=857037&typeid=114 

     ARM位置无关代码设计规范  http://wenku.baidu.com/view/5ef25b890b4c2e3f562763a8.html

位置无关可执行文件PIE包括位置无关代码PIC和位置无关数据PID两部分。
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）

 

怎么实现位置无关码?

{

　　1. 位置无关的函数跳转

　　2. 位置无关的常量访问

}

位置无关代码，即该段代码无论放在内存的哪个地址，都能正确运行。究其原因，是因为代码里没有使用绝对地址，都是相对地址。

而位置相关码，即它的地址与代码处于的位置相关，是绝对地址，如：mov PC ，#0xff；ldr  pc，=0xffff等。

如果你的这段代码需要实现位置无关，那么你就不能使用绝对寻址指令，否则的话就是位置有关了。

 

一、位置无关的写法:

(1) B指令

 

B指令接受一个相对地址，因此在汇编里用B跳转到一个标号时，实际编译的结果是一个相对跳转。相对地址有个范围限制，即目标不能太远，一般目标放在同一个文件里是肯定可以的。 Offset must IN 32Mbit

_start:

    b  _reset

_reset:

      ...

(2) BL

BL用于调用函数，也是一个相对跳转,same as B instrction

(3) ADR

获取标号的地址，在编译时会使用PC+偏移的方式得到该位置的地址。例如，当TEXT_BASE是0时

SMRDATA可能被放在0x100的位置，当TEXT_BASE为0x30000000时放在0x30000100的位置。使用ADR

总能获取正确的位置，与程序的加载地址无关。

    ADR R0, SMRDATA

SMRDATA:

    .word  0x22111120 

    .word  0x00002F50 

    .word  0x00000700 

(相应的, LDR Rn, =LABEL是位置相关的)

(4) LDR

当加标号时，LDR可以用于伪指令，也可以真指令。

真指令: (标号前不加=号，表示取标号处的值)

    LDR R0,  SDRDATA

实际被编译为LDR R0, [PC, #NN]，其中NN是目标的相对距离

伪指令: (标号前加=号，取标号的地址)

    LDR R0, = SDRDATA

实际编译的时候的时候，会在某位置存处SDRDATA的值，然后用一个LDR取出来。

显然，用LDR时，加不加=号有很大区别。

无=号：取该标号处的值，位置无关

有=号：取该标号的地址，位置相关

(5)  bl/b调用的c语言函数里面也不要使用全局变量, 因为c里面的全局变量的地址是根据链接地址生成的.

　　见例7.

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举例分析

例1：中断向量跳转

_start:    

    b       reset

    ldr    pc, _undefined_instruction

    ldr    pc, _software_interrupt

    ldr    pc, _prefetch_abort

    ldr    pc, _data_abort

    ldr    pc, _not_used

    ldr    pc, _irq

    ldr    pc, _fiq

 

_undefined_instruction:    .word undefined_instruction

_software_interrupt:    .word software_interrupt

_prefetch_abort:    .word prefetch_abort

_data_abort:        .word data_abort

_not_used:        .word not_used

_irq:            .word irq

_fiq:            .word fiq

其中，

ldr pc, _irq，由于没加=号，表示取值_irq处的值放在pc里 (位置无关)

_irq:  .word irq ，表示_irq存放的值是irq的绝对地址(位置有关)

例2:

bl  main ; 位置无关

ldr pc, =main; 把main的地址放在pc，位置相关

例3: 静态变量

_MAGIC_NUM:

    .word 0x12345678

取值

    LDR  R0, _MAGIC_NUM  ; 位置无关

例4: 存放标号绝对地址(绝对地址是编译的时候已经固定)

_OS_Running_p:

    .word  OS_Runing

则_OS_Running_p存放的是标号OS_Running的绝对地址

 

例5: 显式LDR和隐式LDR

以给某C中的变量的g_num赋值为例

(1) 使用伪指令LDR，即为隐式

    LDR  R0, =g_num    @取g_num的地址到R0

    MOV R1, #10

            STR  R1, R0

(2) 显式赋值

先定义一个变量p_g_num，用于保存g_num的地址

p_g_num:

    .word   g_num   @ g_num的绝对地址

然后赋值

    LDR R0, p_g_num

    MOV R1, #10

    STR R1,  R0

显然，两者其实一样，伪指令被展开后其实就是(2)的样子。

不同点在于：在多次引用的时候，如果使用伪指令，则会有多个临时定义。所以，

在多次引用的时候应该使用显式定义。

 

例6: 使用LinkScript中的变量

这种情形和例5相同

1) LinkScript中定义了两个位置

{

    __bss_start = .;

    .bss : { *(.bss) }

    _end = .;

}

2) 定义两个变量，用于存处这两个位置

.globl _bss_start

_bss_start:

    .word __bss_start

 

.globl _bss_end

_bss_end:

    .word _end

3) 使用这两个位置

    ldr    r0, _bss_start        /* find start of bss segment        */

   ldr    r1, _bss_end        /* stop here                        */

 

例7. bl/b调用的c语言函数里面也不要使用全局变量

in head.s and *.c :

Reset:                  
    ldr sp, =4096           @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈
    bl  disable_watch_dog   @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
    bl  clock_init          @ 设置MPLL，改变FCLK、HCLK、PCLK
    bl  memsetup            @ 设置存储控制器以使用SDRAM
    bl  nand_init           @ 初始化NAND Flash

#define     WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)

void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可
}

 #define    CLKDIVN        (*(volatile unsigned long *)0x4c000014)
void clock_init(void)
{
CLKDIVN  = 0x03;            // FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4, HDIVN=1,PDIVN=1
..
..
}

void nand_init(void)
{
    S3C2410_NAND * s3c2410nand = (S3C2410_NAND *)0x4e000000;
        /* 设置时序 */
        s3c2440nand->NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);
....
}

以上函数都没有使用到全局变量, 一旦使用了全局变量,就不能作为位置无关码的一部分了.
比如bootloader启动的第一阶段, copy2ram的前面部分.必须是位置无关码