uboot中位置无关代码的程序设计
时间：11-09
来源：互联网
点击：
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。本文首先 介绍位置无关代码的基本概念和实现原理，然后阐述基于ARM汇编位置无关的程序设计方法和实现过程，最后以嵌入式Bootloader程序设计为例，介绍 位置无关程序设计在Bootloader程序设计中的作用。
引言
基于位置无关代码 PIC（Position Independent Code）的程序设计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，因而深入理解和熟练掌握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。本 文首先介绍位置无关代码的基本概念和实现原理，然后阐述基于ARM汇编位置无关的程序设计方法和实现过程，最后以Bootloader程序设计为例，介绍 了位置无关程序设计在Bootloader程序设计中的作用。
1 位置无关代码及程序设计方法
1.1 基本概念与实现原理
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。
1.2 ARM处理器的位置无关程序设计要点
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。下面重点介绍PIC的程序设计要点。
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
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：
LDRPC, =main
上面的LDR汇编伪指令编译后的结果为：
LDRPC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]
LPOOLDCD 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_BASEEQU0x40e00000;
GPIO基址寄存器地址GPDR0EQU0x00c;相对于GPIO基址寄存器的偏移量
init_GPDR0EQU0xfffbfe00;寄存器GPDR0初值
LDRR1, =GPIO_BASE
LDRR0, =init_GPDR0
STRR0, [R1, #GPDR0]
上述汇编代码段经编译后的结果为：
LDRR1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
LDRR0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
STRR0, [R1, #0xc]
GPIO_BASEDCD0x40e00000
GPDR0DCD0x00c
init_GPDR0DCD0xfffbfe00
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“LDRPC, =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“Bmain”，那么只会跳转到启动ROM内部的main函数入口。
2 位置无关代码在Bootloader设计中的应用
在使用GNU工具开发Bootloader时，程序在链接时会通过一个链接脚本（linker script）来设定映像文件的内存映射。一个简单的链接脚本结构如下：
OUTPUT_ARCH(
引言
基于位置无关代码 PIC（Position Independent Code）的程序设计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，因而深入理解和熟练掌握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。本 文首先介绍位置无关代码的基本概念和实现原理，然后阐述基于ARM汇编位置无关的程序设计方法和实现过程，最后以Bootloader程序设计为例，介绍 了位置无关程序设计在Bootloader程序设计中的作用。
1 位置无关代码及程序设计方法
1.1 基本概念与实现原理
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。
1.2 ARM处理器的位置无关程序设计要点
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。下面重点介绍PIC的程序设计要点。
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
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：
LDRPC, =main
上面的LDR汇编伪指令编译后的结果为：
LDRPC, [PC, OFFSET_TO_LPOOL]
LPOOLDCD 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_BASEEQU0x40e00000;
GPIO基址寄存器地址GPDR0EQU0x00c;相对于GPIO基址寄存器的偏移量
init_GPDR0EQU0xfffbfe00;寄存器GPDR0初值
LDRR1, =GPIO_BASE
LDRR0, =init_GPDR0
STRR0, [R1, #GPDR0]
上述汇编代码段经编译后的结果为：
LDRR1, [PC, OFFSET_TO_GPIO_BASE]
LDRR0, [PC, OFFSET_TO_init_GPDR0]
STRR0, [R1, #0xc]
GPIO_BASEDCD0x40e00000
GPDR0DCD0x00c
init_GPDR0DCD0xfffbfe00
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“LDRPC, =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“Bmain”，那么只会跳转到启动ROM内部的main函数入口。
2 位置无关代码在Bootloader设计中的应用
在使用GNU工具开发Bootloader时，程序在链接时会通过一个链接脚本（linker script）来设定映像文件的内存映射。一个简单的链接脚本结构如下：
OUTPUT_ARCH(
uboot位置无关代 相关文章：
- Windows CE 进程、线程和内存管理(11-09)
- RedHatLinux新手入门教程(5)(11-12)
- uClinux介绍(11-09)
- openwebmailV1.60安装教学(11-12)
- Linux嵌入式系统开发平台选型探讨(11-09)
- Windows CE 进程、线程和内存管理(二)(11-09)