JZ2440开发笔记（9）——位置无关代码设计【转】

b MAIN 和 ldr pc,=MAIN 的区别（谈到代码位置无关性）

看bootloader的时候经常看到这两种写法，不太明白区别，网上查了查。其实看了之后还是一头雾水？

其中，2和3 似乎是一个东西，但结果是相反的。晕。

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有几种说法：

第一种，说寻址范围不同。(http://bulo.mcuol.com/GaoKefang/view.htm?topicID=126)
LDR指令可以全地址范围内跳转，而B指令只能在前后32MB范围内跳转；

第二种，(http://www.onlyblog.com/blog2/CANopen/4491.html )
一般芯片具有Re-Map功能，当向量表被重新映射至内部RAM或外部存储器中时用B指令不能实现正确跳转。(原因呢？,by imjacob，难道讲的是下面程序设计规范2的情况 ？？)

第三种，B指令经汇编后会替换为当前PC值加上一个修正值(+/-),所以这条指令是代码位置无关的,也就是不管这条指令是在0地址还是在0x100000执行,都能跳转到指定的位置,而LDR PC,=???将向PC直接装载一个标号的值,请注意,标号在编译过后将被替换为一个与RO相对应的值,也就是说,这样的指令无论在哪里执行,都只会跳转到一个指定的位置.（http://blog.cec.pandabuying.com/zhiy66/212528.aspx）
下面是它的详细解释：
以下假设：
芯片 FLASH起始于0x100000,共64kB,片上RAM起始于0x200000,共16kB.
芯片 复位之后,程序会从0开始执行,此时FLASH被映射到0地址,因此,芯片可以取得指令并执行.显然,此时还是驻留在0x100000地址.如果使用remap命令,将会把RAM映射到0地址,同样的这时0地址的内容也只是RAM的镜像.
假定有如下程序:
RESET
B INIT 或者 LDR PC,=INIT
…

INIT
…
其中RESET为起始时的代码,也就是这条代码的偏移为0,设INIT的偏移量为offset.如果将这段程序按照RO=0x100000编译, 那么B INIT可理解为ADD PC, PC, #offset,而LDR PC,=INIT可被理解为 MOV PC,#(RO+offset) .显然当系统复位时,程序从0开始运行,而0地址有FLASH的副本,执行B INIT将把PC指向位于0地址处的镜像代码位置,也即INIT（应该是offset，by imjacob）;如果执行LDR PC,=INIT将会将PC直接指向位于FLASH中的原始代码.(应该是 0x100000 + offset,by imjacob)因此以上两者都能正确运行.

下面将RO设置为0x200000,编译后生成代码,还是得烧写到FLASH中,也就是还是0x100000,系统复位后从0地址执行,还是FLASH的副本,此时执行B INIT,将跳到副本中的INIT位置执行（此时是0x100000+offset 还是 offset？，by imjacob）,此处有对应的代码;但是如果执行LDR PC,=INIT,将向PC加载0x200000+offset,这将使得PC跳到RAM中,而此时由于代码没有复制,RAM中的指定位置并没有代码,程序无法运行(应该是 0x200000 + offset,by imjacob).

(我的理解：这就是位置无关代码的基本原理)

另外，找到一篇 讲位置无关性的文章，如下（http://www.embedu.org/Column/Column266.htm）。按此讲法，应该讲法三比较正确。

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ARM的位置无关程序设计

作者：李智敏,华清远见嵌入式学院上海中心讲师。

ARM处理器支持位置无关的程序设计，这种程序加载到存储器的任意地址空间都可以正常运行，其设计方法在嵌入式应用系统开发中具有重要的作用。尤其在裸机状态下开发Bootloader程序及进行内核初始化设计；利用位置无关的程序设计方法还可以在具体应用中用于构建高效率动态链接库，因而了解位置无关的程序设计方法，有助于开发人员设计出结构简单、清晰的应用程序。

应用程序必须经过编译、汇编和链接后才变成可执行文件，在链接时，要对所有目标文件进行重定位(relocation)，建立符号引用规则，同时为变量、函数等分配运行地址。当程序执行时，系统必须把代码加载到链接时所指定的地址空间，以保证程序在执行过程中对变量、函数等符号的正确引用，使程序正常运行。在具有操作系统的系统中，重定位过程由操作系统自动完成。

在设计Bootloader程序时，必须在裸机环境中进行，这时Bootloader映像文件的运行地址必须由程序员设定。通常情况下，将Bootloader程序下载到ROM的0x0地址进行启动，而在大多数应用系统中，为了快速启动，首先将Bootloader程序拷贝到SDRAM中再运行。一般情况下，这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完成。实际上，由于Bootloader是系统上电后要执行的第一段程序，Bootloader程序的拷贝和在这之前的所有工作都必须由其自身来完成，而这些指令都是在ROM中执行的。也就是说，这些代码即使不在链接时所指定的运行时地址空间，也可以正确执行。这就是位置无关代码，它是一段加载到任意地址空间都能正常执行的特殊代码。

位置无关代码常用于以下场合：
程序在运行期间动态加载到内存；
程序在不同场合与不同程序组合后加载到内存(如共享的动态链接库)；
在运行期间不同地址相互之间的映射（如Bootloader程序）。

虽然在用GCC编译时，使用-fPIC选项可为C语言产生位置无关代码，但这并不能修正程序设计中固有的位置相关性缺陷。特别是汇编语言代码，必须由程序员遵循一定的程序设计准则，才能保证程序的位置无关性。

ARM程序的位置无关可执行文件PIE（PositionIndependent Executable）包括位置无关代码PIC和位置无关数据PID（PositionIndependent 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），为保证程序能在ROM和SDRAM空间都能正确运行（如裸机状态下的Bootloader程序），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（ReadOnly Position Independence）的ATPCS（ARMThumb Procedure Call Standard）的程序设计规范：

（1） 程序设计规范1　　

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。　　

① 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　　

上面的伪指令编译后的结果为：　　LDR PC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]
　　 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。　　

② 位置无关的常量访问。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PXA270的GPIO初始化介绍位置无关的常量访问方法。

GPIO_BASE EQU 0x40e00000;　GPIO基址寄存器地址
GPDR0 EQU 0x00c; 相对于GPIO基址寄存器的偏移量
init_GPDR0 EQU 0xfffbfe00; 寄存器GPDR0初值
LDR R1, =GPIO_BASE　　
LDR R0, =init_GPDR0
STR R0, [R1, #GPDR0]

上述汇编代码段经编译后的结果为：

LDR R1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
LDR R0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
STR R0, [R1, #0xc]
GPIO_BASE
DCD 0x40e00000　
GPDR0
DCD 0x00c　
init_GPDR0
DCD 0xfffbfe00　　

可见，LDR伪指令实际上使用基于PC的偏移量来对符号常量GPIO_BASE和 init_GPDR0进行引用，因而是位置无关的。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。

（2） 程序设计规范2　　

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（这种情况反而不能写 B main了，但要写之前是不是之前 写一句 ldr pc，= xx也可以？by imjacob）。

 

转自：http://blog.163.com/starjj_embeded/blog/static/204500051201221402446847/